Diseño e implantación de un sistema de control de movimientos de una cámara para cirugía mínimamente invasiva de puerto único

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INFORMÁTICA GRADO EN INGENIERÍA DE LA SALUD DISEÑO E IMPLANTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL DE MOVIMIENTOS DE UNA CÁMARA PARA CIRUGÍA MÍNIMAMENTE INVASIVA DE PUERTO ÚNICO CONTROL MOTION DESIGN AND ITS IMPLANTATION FOR A SINGLE SITE MINIMALLY INVASIVE SURGERY CAMERA Realizado por Javier Esteban Muñoz Tutorizado por Isabel García Morales Irene Rivas Blanco Departamento Ingeniería de Sistemas y Automática UNIVERSIDAD DE MÁLAGA MÁLAGA, JULIO DE 2015 2 Resumen: En el presente trabajo se describe el diseño e implantación de un sistema de control de movimientos de una cámara intra-abdominal para cirugía mínimamente invasiva de puerto único. La cámara se encuentra integrada en un minirobot, el cual se introduce en la cavidad abdominal a través de una incisión realizada por los cirujanos. Para llevar a cabo el mencionado control de movimientos será necesario la integración de diversos elementos hardware: microcontroladores de la marca Arduino y la shield EasyVR para el reconocimiento del habla, entre otros, que junto a sus correspondientes software de control y servomotores permitirán obtener el fin deseado. Los programas generados incluyen el control de los motores y dos interfaces distintas, dependiendo de si se quiere utilizar comandos de voz o el teclado de un ordenador. Además, el sistema fruto de este trabajo se debe integrar en la plataforma robótica que dispone de una arquitectura basada en entorno ROS en la que trabaja el grupo de Robótica Médica del departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, para así poder comunicarse con el resto de sistemas con los que ya cuentan. Tanto el hardware necesario como el software desarrollado se describen a lo largo de esta memoria, explicando y justificando cada decisión tomada, para finalmente terminar con una serie de experimentos que validan el funcionamiento del mini-robot. Palabras clave: control, mini-robot, mini cámara, CMI, SILS Abstract: In this work a control motion design and implantation of an intraabdominal single site for minimally invasive surgery camera is described. The camera is integrated in a mini-robot which is introduced into the abdominal cavity through an incision made by the surgeons. In order to achieve this control, it is necessary the integration of several hardware devices, mainly Arduino microcontrollers and an EasyVR shield for a speech recognition activity. These hardware devices working together with their control software and servomotors will get the expected goal. The generated programs include the servomotors controller and two different interfaces, depending on the use of human voice or keyboard commands. Besides, the system created in this work must be integrated in a robotic platform developed by the Medical Robotic group, which has ROS architecture to connect all its systems. The Medical Robotic group belongs to the Systems and Automation Engineering Department in the University of Malaga. Both software and hardware architecture developed in this work, are described along this memory, trying to explain and justifying every decision that has been taken, in order to finish with a set of experiments which verify that the mini-robot designed works successfully. Keywords: control, mini-robot, mini camera, MIS, SILS 3 Índice General Capítulo 1: Introducción ......................................................................................... 5 1.1 Robótica aplicada a la cirugía mínimamente invasiva de puerto único ........ 5 1.2 Motivación del trabajo de fin de grado. ........................................................ 7 1.3 Objetivos del proyecto .................................................................................. 9 1.4 Estructura de la memoria ............................................................................ 10 Capítulo 2: Descripción del mini-robot cámara .................................................... 11 2.1 Introducción ................................................................................................ 11 2.2 Diseño del mini-robot ................................................................................ 11 2.3 Mecanismos de transmisión de movimiento ............................................... 13 2.4 Actuadores................................................................................................... 14 2.5 Mini cámara ................................................................................................ 15 2.6 Brazo robótico ............................................................................................. 16 2.7 Conclusiones ............................................................................................... 17 Capítulo 3: Arquitectura Hardware ....................................................................... 18 3.1 Introducción ................................................................................................ 18 3.2 Microcontrolador......................................................................................... 18 3.2.1 Arduino UNO ....................................................................................... 19 3.2.2 Arduino MEGA ADK .......................................................................... 21 3.3 Reconocimiento Automático del Habla ...................................................... 22 3.3.1 EasyVR 2.0 .......................................................................................... 22 3.4 Conclusiones ............................................................................................... 24 Capítulo 4: Arquitectura Software ........................................................................ 25 4.1 Introducción ................................................................................................ 25 4.2 Arquitectura de control ............................................................................... 25 4 4.2.1 Cálculo posición .................................................................................. 27 4.2.2 MCI ...................................................................................................... 30 4.2.3 Giro cámara ......................................................................................... 31 4.2.4 Control motores ................................................................................... 33 4.3 Implantación del esquema de control ......................................................... 34 4.3.1. Entorno ROS ....................................................................................... 34 4.3.2 Estructura propuesta ............................................................................. 35 4.3.4 Implementación del nodo interfaz voz ................................................. 37 4.3.5 Implementación del nodo interfaz teclado ........................................... 40 4.3.6 Implementación del nodo control de motores ...................................... 41 4.4 Conclusiones ............................................................................................... 43 Capítulo 5: Experimentos ...................................................................................... 44 5.1 Introducción ................................................................................................ 44 5.2 Calibración de los motores .......................................................................... 44 5.3 Cálculo del coeficiente de transmisión de movimiento .............................. 46 5.4 Simulación teórica ....................................................................................... 47 5.5 Experimentación in-vitro ............................................................................ 49 5.6 Experimentación in-vivo ............................................................................. 52 5.7 Conclusiones ............................................................................................... 55 Capítulo 6: Conclusiones y desarrollos futuros .................................................... 56 6.1 Conclusiones ............................................................................................... 56 6.2 Líneas de desarrollo futuro.......................................................................... 56 Bibliografía y referencias ...................................................................................... 58 5 Capítulo 1: Introducción 1.1 Robótica aplicada a la cirugía mínimamente invasiva de puerto único Desde hace siglos, la medicina se ha servido de la tecnología disponible en la época para llevar a cabo sus fines, pero es hoy en día cuando dicha relación está creciendo a gran velocidad. Por lo tanto es necesario un esfuerzo doble: por una parte los ingenieros han de tener ciertos conocimientos de medicina para poder crear dispositivos cada vez más especializados, y por otra los médicos han de adaptarse a dichos dispositivos y aprender a utilizarlos. Los procedimientos médicos pueden clasificarse, entre otras cosas, según sean invasivos o no invasivos, pero a su vez dentro de estos dos grandes grupos puede haber distinciones. La cirugía laparoscópica es un tipo de cirugía mínimamente invasiva (CMI) en la que tanto los instrumentos, llamados de caña larga, como el endoscopio, se introducen en la cavidad abdominal a través de pequeñas incisiones, denominadas puertos. Dicho procedimiento se puede ver en la figura 1. Cabe destacar que en este tipo de procedimientos no hay visión directa del campo quirúrgico, sino que se obtiene de forma indirecta a través de imágenes de video mediante un endoscopio. Además, se pierde la sensación de tacto al no tener contacto directo con las estructuras anatómicas y se necesita una fuerte coordinación entre el cirujano y el asistente, el cual mueve y orienta el endoscopio. Aun así, este procedimiento presenta numerosas ventajas frente a la cirugía abierta tradicional (laparotomía), entre las que se puede destacar la reducción de las complicaciones post-operatorias, reducción del tiempo de recuperación del paciente y una mejora estética, ya que las cicatrices son menores [1]. 6 Figura 1: Cirugía laparoscópica En los últimos años han surgido nuevas técnicas con el fin de potenciar dichos beneficios, entre ellas la cirugía de puerto único o SILS (de su acrónimo en inglés Single Incision Laparoscopic Surgery) [2]. Dicha técnica se basa en la introducción tanto de los instrumentos como del endoscopio por una única incisión, a través de un trocar multipuerto. A pesar de las ventajas que presenta para los pacientes, esta técnica presenta dos grandes limitaciones para los cirujanos. Por un lado, al introducir todas las herramientas por un mismo puerto, se limita el rango de movimiento de los instrumentos, y por otro, la cercanía de las herramientas y el endoscopio produce una pérdida de triangulación, lo que se traduce en una pérdida de sensación de profundidad en la imagen que recibe el cirujano. Una de las soluciones a las que se ha recurrido para resolver estos problemas es utilizar instrumentos flexibles o curvos especiales con el fin de abarcar un mayor espacio de trabajo. Sin embargo, esto no solventa el problema de la pérdida de triangulación y requiere un gran entrenamiento por parte del cirujano [3]. Otra alternativa es el uso de robots miniaturizados, los cuales se pueden introducir en la cavidad abdominal a través de la incisión realizada para introducir las herramientas quirúrgicas, y que se fijan a la pared abdominal mediante algún procedimiento. De esta manera se reduce el número de elementos que comparten el puerto de entrada y se evita tanto el problema de la pérdida de triangulación mencionado anteriormente, en caso de que el mini-robot incorpore una cámara, como la pérdida de grados de libertad debido al efecto de fulcro. El posicionamiento y la fijación de los robots a la pared abdominal se puede realizar a través de varios métodos, como sutura [4], fijación con agujas [5]-[6], o interacción magnética [7]-[8]. La solución que más se puede encontrar en la literatura 7 científica es mediante interacción magnética, ya que ésta permite el desplazamiento del mini-robot a lo largo de la pared abdominal, lo cual permite cambiar el punto de vista de la imagen laparoscópica durante el procedimiento quirúrgico. 1.2 Motivación del trabajo de fin de grado. La línea de investigación de Robótica Médica del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Málaga lleva muchos años trabajando en el campo anteriormente mencionado, dando finalmente a luz al proyecto MARCUS [9] y aportando ideas innovadoras. En este sentido, abordaron el diseño y desarrollo de una plataforma robótica capaz de situar en el interior de la cavidad abdominal un mini-robot dotado de una cámara que trabaja de forma colaborativa con el cirujano. El sistema se puede programar fuera de línea para establecer el plan maestro durante la intervención y de forma intraoperatoria mediante un interfaz persona-máquina multi-modal. Todos estos sistemas están integrados en una arquitectura basada en ROS (Robot Operating System) [11]. De esta forma, I. Rivas-Blanco y otros, [2] y [10], proponen la introducción de un mini-robot en la cavidad abdominal, el cual incorpora una cámara y se fija a la pared abdominal mediante interacción magnética. A diferencia de otros trabajos anteriores, [12]-[13]-[14], en los que la sujeción magnética externa se desplaza manualmente a lo largo de la pared abdominal, estos trabajos proponen que la sujeción externa esté acoplada a un brazo robótico, como se muestra en la figura 2, y que sea éste el que desplace el mini-robot a través de una interfaz persona-máquina. De esta manera, el movimiento de la cámara se puede realizar de forma automática mediante un interfaz humano-máquina, o bien de forma autónoma dotando al sistema de ciertas capacidades cognitivas [15]. Figura 2: Disposición de la cámara y los instrumentos en la cavidad abdominal 8 Inicialmente el mini-robot se diseñó de manera que fuese totalmente inalámbrico. El dispositivo cuenta con dos grados de libertad: rotación e inclinación. El primero se realiza gracias a la rotación de la última articulación del manipulador externo; dicha rotación se traduce en una cambio en la orientación del elemento de sujeción o holder magnético y, por lo tanto, del mini-robot. El movimiento de inclinación se realiza mediante interacción magnética, tal y como se describe en [9]. Ambos grados de libertad se pueden ver en la figura 3. Figura 3: Componentes y grados de libertad del dispositivo Mediante una serie de experimentos in-vitro realizados para validar el dispositivo, se encontró una limitación importante: el desplazamiento del mini-robot provoca un desplazamiento del sistema magnético que controla la inclinación de la cámara, y por tanto se produce un cambio indeseado de dicha inclinación. Además, posteriores pruebas demostraron, entre otras cuestiones, la necesidad de introducir algún mecanismo que permitiera recoger el mini-robot en caso de que se soltara de la sujeción magnética. Por lo tanto, si el robot no fuese inalámbrico sino que estuviese alimentado por un cable, permitiría recogerlo en caso de caída. Esto a su vez reduciría el tamaño de la cámara, evitaría el problema de la autonomía de la batería y permitiría introducir un motor en el dispositivo para controlar la orientación de la cámara [2]. Como resultado de estos experimentos se ha realizado un nuevo diseño del minirobot cámara, en el que la orientación de la cámara se controla mediante un conjunto de motores. De esta manera se evitan los cambios indeseados en la inclinación de la cámara debido al movimiento de los imanes. Este nuevo diseño requiere de un sistema de control de los motores que permita controlar la inclinación de la cámara. Es aquí donde se enmarca el presente trabajo fin de grado, que tiene como objetivo principal el diseño e implantación de dicho sistema de control, y su integración en la plataforma desarrollada por el grupo de investigación de Robótica Médica del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática. 9 1.3 Objetivos del proyecto Como ya se ha mencionado, el nuevo diseño del mini-robot requiere de un control mediante motores de la rotación y de la inclinación de la cámara. Por lo tanto, el objetivo general del presente trabajo fin de grado se define como el diseño e implantación del sistema de control de la orientación de la cámara de un dispositivo intra-abdominal diseñado para cirugía laparoscópica de puerto único. Asimismo, será necesaria la integración de dicho sistema de control en una plataforma robótica que dispone de una arquitectura basada en ROS. Para ello será necesario cumplir con los siguientes objetivos específicos: 1. Diseño y desarrollo de un sistema de control de la orientación de la cámara de un dispositivo intra-abdominal basado en componentes comerciales de bajo costo con el objeto de visualizar una zona de interés dentro de la imagen laparoscópica. En este punto reside el grueso del trabajo, y puede desglosarse en los siguientes subobjetivos: 1.1. Diseño y desarrollo de la interfaz persona-máquina. La zona de interés de la imagen laparoscópica se selecciona mediante un interfaz personamáquina, que acepta tanto comandos de voz como comandos introducidos por teclado. 1.2. Estudio del mini-robot cámara. Se ha realizado un estudio del diseño del mini-robot cámara para la selección del sistema electrónico de control, necesario para controlar los grados de libertad de orientación del mismo. 1.3. Diseño y desarrollo del sistema de control. Se ha diseñado una arquitectura de control de los ángulos de giro de los motores que proporcionan una determinada orientación de la cámara que permite visualizar la zona de interés seleccionada. 2. Integración del sistema de control desarrollado en una arquitectura basada en ROS. Con este objetivo se busca una integración funcional completa del dispositivo dentro de un sistema más amplio, que engloba otros componentes desarrollados dentro de las líneas de investigación del grupo de investigación. Este punto puede desglosarse en los siguientes subobjetivos: 2.1. Estudio de la arquitectura en la que va a ser incluido el sistema de control y la correspondiente interfaz, para su comunicación con el resto de sistemas. 2.2. Integración del sistema de control diseñado y su correspondiente interfaz. 2.3. Validación del sistema. Se ha validado todo el sistema desarrollado a través de pruebas experimentales que demuestran tanto el funcionamiento del sistema de forma aislada según las especificaciones de control impuestas, como su correcta integración dentro del sistema global basado en la arquitectura ROS. 16 del mismo y se encarga de procesar la señal proveniente de la cámara. La placa más grande, denominada placa 2, es la que se encuentra en la caja de los motores, debajo de éstos, y se encarga tanto de convertir la señal que le llega de la placa 1 en una salida analógica, como de de controlar la alimentación de la cámara. En cuanto a los cables que se pueden observar en la figura a la salida de la placa 2, el rojo se conecta a la 5V, el negro a 0V y el amarillo contiene la salida de vídeo. Debido a que el cable que une las dos placas es demasiado corto y tiene que ir por dentro del tubo de teflón, es necesario cortarlo, colocarlas en sus respectivas posiciones y volverlas a unir mediante las mencionadas soldaduras, con unos cables de la longitud apropiada. 2.6 Brazo robótico Tal y como se ha mencionado, es necesaria la presencia de un brazo robótico para poder desplazar el holder magnético a lo largo de la pared abdominal de forma automática [2]. Para ello se utiliza un manipulador de la marca Barrett Technology, modelo WAM, de siete grados de libertad. En la figura 10 puede observarse dicho modelo. En su efector final es necesario colocar el holder magnético que sujetará al mini-robot, el cual se puede ver también en la figura.. Figura 10: Barrett WAM y holder magético. El brazo incorpora un control híbrido de fuerza-posición [10], diseñado por el grupo de investigación, con la finalidad de que el desplazamiento se produzca sin ejercer una fuerza excesiva que pueda dañar al paciente. Además, dicho control incluye un módulo de compensación de pares que mantiene el efector final del brazo perpendicular a la pared abdominal en todo momento. 17 2.7 Conclusiones A lo largo del capítulo se ha descrito tanto el diseño del mini robot como sus mecanismos de transmisión de movimiento, además de los dispositivos de los que se sirve, tanto los servomotores como de la mini cámara, y del sistema con el que interactúa, el robot WAM. En su conjunto, se trata de un sistema dotado de una cierta complejidad, la cual hay que tener en cuenta a la hora de diseñar el control deseado. 18 Capítulo 3: Arquitectura Hardware 3.1 Introducción En el presente capítulo se describe la arquitectura hardware empleada para la realización del trabajo y se explicará, brevemente, cada uno de sus componentes y porqué se ha escogido cada uno de ellos. En primer lugar se describirán las características principales que todo microcontrolador ha de tener, para a continuación detallar los microcontroladores escogidos y los elementos adicionales de los que hacen uso. 3.2 Microcontrolador Por definición, un microcontrolador es un circuito integrado programable, es decir, que es capaz de ejecutar una serie de instrucciones que serán almacenadas previamente en su memoria. Para ello el dispositivo ha de contar con:  CPU: Es el componente capaz de procesar la información y ejecutar el código almacenado en su memoria, generando unas “salidas” en función de unas “entradas”.  Memorias: Alojan tanto las instrucciones (el código) como los datos que necesita la CPU durante la ejecución de éstas. Pueden ser volátiles, si se pierden los datos al cortar la alimentación, o persistentes si se mantienen al cortarla.  Diferentes patillas de E/S: Necesarias para comunicar la CPU con el exterior, permitiendo tanto la entrada como la salida de datos del mismo. 19 Para llevar a cabo el control de movimientos de la cámara integrada en el minirobot, ha sido necesaria la elección de dos microcontroladores de bajo coste, por lo que se ha escogido la marca Arduino [18]-[19]. Además, se escogió porque dispone de una serie de drivers que permiten la integración del mismo en una arquitectura basada en ROS. Arduino cuenta con diversas PBCs (Printed Circuit Board) que incorporan un microcontrolador reprogramable y una serie de pines hembra unidas internamente a las patillas E/S de éste, permitiendo la conexión de componentes de forma sencilla y cómoda. Asimismo cuenta con un lenguaje de programación propio, inspirado en otro ya existente denominado processing, y un software gratis, libre y multiplataforma que facilita el desarrollo del software con una gran cantidad de librerías y que permite cargarlo al microcontrolador para su ejecución a través de un cable USB. Además, Arduino se caracteriza por su versatilidad. Existen una gran cantidad de placas que se interconectan con éste añadiéndole funcionalidades muy diversas. Las placas Arduino que se han escogido con sus correspondientes características y motivos de su elección se exponen a continuación. 3.2.1 Arduino UNO Arduino UNO [20] es una placa de microcontrolador basada en el chip (circuito integrado) ATmega328. La placa en cuestión cuenta con 14 pines de E/S digitales, 6 pines de entrada analógica, conexión USB, conexión para alimentación por corriente y botón de reset, entre otras cosas. Se puede ver una ilustración de la placa en la figura 11. Figura 11: Arduino UNO 20 Así mismo, la placa, una vez conectada a la corriente ya sea por puerto USB o por conexión directa, puede suministrar 5V o 3.3V si es necesario, con una intensidad de 40 o 50mA respectivamente. También cuenta con una serie de pines especiales, de entre los cuales se necesitarán los pines A4 (SDA) y A5 (SLC) para la interconexión mediante protocolos I2C/TWI entre los dos microcontroladores. Las características más importantes de la placa se muestran a continuación. Características Microcontrolador ATmega 328 Voltaje operativo 5V Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V Voltaje de entrada (límites) 6-20V Pines E/S digitales 14 Pines de entrada analógica 6 Corriente DC por pin E/S 40 mA Corriente DC en pin 3.3V 50mA Memoria flash 32 KB, 0,5KB reservados para bootloader SRAM 2KB EEPROM 1KB Frecuencia de reloj 16MHz Longitud 68.6mm Ancho 53.4mm Peso 25g Cabe destacar que la Memoria flash, la SRAM y la EEPROM son las memorias típicas del microcontrolador, en este caso el ATmega 328. La primera y la última son persistentes, siendo la flash donde se almacenan los sketches (programas) que se cargan en la placa, y la SRAM es una memoria volátil que el procesador utiliza para ir realizando sus cálculos. Se ha escogido una placa Arduino UNO por ser de las más baratas, y por tener las características necesarias de memoria para almacenar uno de los sketches, el que controla el movimiento de los servomotores. Los cables de control de dichos servomotores se conectan a los pines 3 y 5, los cables de alimentación a 5V y los cables de tierra a GND. 21 3.2.2 Arduino MEGA ADK Arduino MEGA ADK [21] se trata de una placa de microcontrolador basada en el ATmega 2560 que incorpora y mejora las funcionalidades de Arduino UNO. Principalmente se caracteriza por poseer una interfaz host de conexión USB con teléfonos Android, pero no se ha escogido por esto sino por sus características de memoria. El dispositivo cuenta con 54 pines digitales de E/S, 16 pines analógicos de entrada, conexión USB y de toma de corriente y botón de reset, entre otras cosas. Los pines SDA y SLC, necesarios para la comunicación mediante protocolos I2C/TWI entre mircocontroladores, son los pines 20 y 21. En la figura 12 se puede observar una ilustración de la susodicha placa. Figura 12: Arduino MEGA ADK Las principales características del dispositivo se muestran a continuación: Características Microcontrolador Atmega 2560 Voltaje operativo 5V Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V Voltaje de entrada (límites) 6-20V Pines E/S digitales 54 Pines de entrada analógica 16 Corriente DC por pin E/S 40 mA Corriente DC en pin 3.3V 50mA Memoria flash 256 KB, 8KB reservados para bootloader SRAM 8KB EEPROM 4KB Frecuencia de reloj 16MHz Longitud 101,52mm 22 Características Ancho 53.3mm Peso 36g Chip host USB MAX3421E Se ha escogido también para este trabajo un Arduino MEGA ADK porque será necesario desarrollar dos sketches diferentes, uno para el control de los motores y otro para la interfaz. El sketch de control de los motores tiene un tamaño suficientemente pequeño como para poder ejecutarlo en un Arduino UNO, mientras que el sketch de la interfaz necesita un microprocesador con una capacidad de almacenamiento mayor. Es por eso que se ha elegido un Arduino MEGA ADK. 3.3 Reconocimiento Automático del Habla El Reconocimiento Automático del Habla (RAH) [22] o reconocimiento automático de voz, es una rama de la Inteligencia Artificial en la que el objetivo último es permitir la comunicación hablada entre seres humanos y computadores. Esto, para éste caso en particular, puede resultar extremadamente útil, ya que el cirujano realiza su labor de pie, con las manos ocupadas, y necesitará de un reconocimiento de voz para poder accionar los comandos que rigen el movimiento del mini-robot si no dispone de un asistente. Además, la comunicación mediante comandos de voz resulta muy intuitiva para el cirujano, puesto que es la forma natural en la que se comunica con un asistente humano. Es por esto que se ha decidido hacer uso de la shield de Arduino EasyVR. 3.3.1 EasyVR 2.0 EasyVR es un circuito integrado que se puede encontrar incrustado en una shield o como un dispositivo independiente. Una shield [19] no es más que una PBC que se coloca en la parte superior de una placa Arduino y que se conecta a ella mediante el acoplamiento de sus pines, sin necesidad de cables, ampliando y complementando las funcionalidades de ésta. En concreto, EasyVR [23] es un módulo multipropósito de RAH, diseñado para añadir un reconocimiento de habla versátil y robusto a casi cualquier tipo de aplicaciones. En la figura 13 se puede observar dicha shield, la cual se alimenta con 5V, por lo que la tensión que suministra Arduino es suficiente. 23 Figura 13:Shield EasyVR 2.0 La shield incorpora una serie de comandos predefinidos y permite almacenar hasta 28 comandos personalizados. Así mismo el dispositivo se caracteriza por poder reproducir audios y soportar varios lenguajes de interlocutor. En cuanto a su funcionamiento, el dispositivo cuenta con cuatro modos de operación:  UP: Para actualizaciones de firmware o para cargar sonidos en la memoria flash de la shield.  PC: Permite utilizar EasyVR con su interfaz gráfica en el ordenador, a través del puerto USB de la placa Arduino.  HW: Permite controlar la shield desde el sketch de arduino, a través de los pines TX y RX (Hardware serial port).  SW: Similar al anterior, pero utilizando los pines 12 y 13 como TX y RX (Software serial port), permitiendo de esta manera el uso del Serial de arduino. Como EasyVR junto con Arduino MEGA ADK se utilizará para la implementación de la interfaz, se necesita de una comunicación serie del microcontrolador con el ordenador para mostrar información por pantalla y recogerla por teclado. Por lo tanto, para este caso en concreto se utilizará en todo momento el modo de operación SW, para así poder utilizar el Serial de Arduino. Cabe destacar que la shield [24] trae consigo un pequeño micrófono que se puede quitar y poner cuando sea necesario. También cuenta con salida de audio para altavoces de hasta ocho ohmios, salida para auriculares y una interfaz gráfica para diseñar los comandos de voz con facilidad. Ésta última no se utilizará en el presente trabajo ya que se programarán directamente en el sketch de Arduino. 24 3.4 Conclusiones A lo largo del capítulo se han tratado, tanto los microcontroladores necesarios para la implementación del control deseado, con sus respectivas características y motivos de su elección, como la shield de la que hace uso uno de ellos. En consecuencia, como se puede comprobar, el presente trabajo se ciñe al requisito de bajo coste que se le impuso desde un principio. 25 Capítulo 4: Arquitectura Software 4.1 Introducción En este capítulo se tratará tanto la arquitectura de control de orientación de la cámara diseñada como su implementación, así como los estudios y cálculos que han sido necesarios para ello. En cuanto a la implementación, se planteará la arquitectura ROS propuesta para el sistema y se describirán cada uno de sus componentes, prestando especial atención tanto a la implementación del control de los motores como a las interfaces que el cirujano utilizará para así interactuar con el mini-robot. 4.2 Arquitectura de control Un cirujano es un profesional que trabaja de pie, con las manos ocupadas y, en el tipo de procedimiento en el que se engloba este trabajo (cirugía laparoscópica de puerto único), su única referencia es la imagen que le llega a través de una cámara y que se plasma en un monitor. Dicha imagen no abarca todo el campo de trabajo, por lo que para visualizar ciertas zonas de la cavidad abdominal es necesario un cambio en la perspectiva de la imagen que se consigue a través de una variación en orientación y/o posición de la cámara, accionada por comandos que el cirujano introducirá al sistema (por ejemplo, ante el comando derecha el centro de la imagen visualizada en la pantalla se desplazará una distancia determinada hacia esta dirección). Para ejecutar dicho cambio de perspectiva, el mini-robot está dotado de dos grados de libertad, visibles en la figura 14: rotación de la mini cámara respecto al eje x, también llamada rotación transversal (ϕ), rotación respecto a y, también llamada rotación longitudinal (φ). Por otro lado, se dispone de dos grados de libertad adicionales de desplazamiento a lo largo del eje x (xR) y desplazamiento a lo largo del eje y (yR) proporcionados por el brazo robótico WAM al que está fijado el mini-robot mediante el holder magnético. 32 Siendo d la distancia que hay desde el sistema local de referencia {l} hasta Pf. Una vez calculado γ, se pueden dar dos casos: Ángulo γ menor que γmax En esta situación, los valores de φ y ϕ que se le pasarían al bloque Control motores, y el valor de ∆PR que se le pasaría al bloque Robot serían los mostrados en las expresiones 15, 16, 17. ( ) ( ) Los valores xR e yR son nulos ya que no se necesita del desplazamiento del minirobot. Ángulo γ mayor que γmax En el caso de que el ángulo sea mayor que γmax, el control deberá tanto asignarle a γ un valor de γmax/2, como calcular el valor de ∆PR que ha de desplazarse el mini-robot (por la acción del brazo robótico). La elección de un valor γ de γmax/2 se debe a que permite a la mini cámara tanto seguir avanzando en el mismo sentido del desplazamiento, como un amplio recorrido en sentido contrario, todo ello sin tener que volver a recurrir al robot WAM. Por lo tanto, es necesario calcular en primer lugar los valores de desplazamiento ∆PR =(xR,yR) del robot, para posteriormente calcular los valores φ y ϕ. Ambas acciones se pueden ver en la figura 19. Por un lado, de dicha figura se deduce la expresión 18 ( ( )) Siendo dR la distancia en línea recta que ha de recorrer el brazo. En consecuencia, dado que se puede calcular el valor de β, ángulo que se puede ver en la figura 19, los valores de xR e yR serían los calculados en las expresiones 19, 20 y 21. 33 Figura 19: Desplazamiento del mini-robot ( ) Una vez conocidos estos parámetros se pueden calcular los valores de φ y ϕ, mostrados en las expresiones 22 y 23. (( ) ) (( ) ) Los valores de φ y ϕ el actual bloque se los pasará al bloque Control motores, y los valores xR e yR se los pasará al bloque Robot para que realice el desplazamiento. Cabe destacar que el operador atan2 utilizado anteriormente se trata de la función arcotangente, función inversa a la tangente, cuya solución pertenece al intervalo [– ], y que nos permite conocer su ángulo. 4.2.4 Control motores El presente bloque recibe como entrada los valores de φ y ϕ y, en función de éstos, calcula qué ángulos θ1 y θ2 hay que transmitirle a los bloques de Motor 1 y Motor 2 para que los servomotores obren en consecuencia, alcanzando el centro de la imagen la 34 posición deseada. Como se ha mencionado anteriormente, los servomotores cuentan con unos valores angulares de reposo θ1rep y θ2rep, para los que la orientación de la mini cámara coincide con la vertical y el centro de la imagen coincide con el sistema de referencia local, además de unos valores k1 y k2 que relacionan la variación de θ1 y θ2 con la variación de φ y ϕ respectivamente. En consecuencia los valores angulares a calcular son mostrados en las expresiones 24 y 25. Los valores φ·k1 y ϕ·k2 restan a θ1rep y θ2rep porque los valores por debajo de los ángulos de reposo producirán un desplazamiento positivo del centro de la imagen, mientras que los valores por encima de éstos producirán desplazamientos negativos del mismo. 4.3 Implantación del esquema de control 4.3.1. Entorno ROS ROS (Robotic Operative System) [11]-[20] se trata de un conjunto de librerías de código abierto, cuyo objetivo es simplificar la tarea a la hora de crear sistemas robóticos complejos y robustos a partir de diferentes plataformas robóticas, integrando todas ellas e intercomunicándolas, formando una red. Aunque se trata de un sistema multiplataforma, principalmente funciona en Ubuntu. Entre los principales elementos de cualquier arquitectura ROS destacan:  Nodos: Son la parte más básica de la red que forma toda arquitectura basada en ROS. Los nodos son procesos ejecutables, es decir, programas que se ejecutan en el entorno de ROS, que cumplen una función específica y que se comunican entre ellos.  Nodo maestro (Roscore): Es el nodo principal de ROS, necesario para el funcionamiento de la arquitectura. Sin él, los nodos no se encontrarían ni podrían intercambiar mensajes entre ellos.  Mensajes: Los nodos de ROS se pueden comunicar entre ellos asíncronamente a través de mensajes. Éstos son simples estructuras de datos compuestas por campos tipificados.  Topics: Son “intermediarios” en la comunicación entre nodos, “depósitos” en los que se almacenan los mensajes. Los nodos pueden publicar mensajes en los topics o subscribirse a éstos. El funcionamiento es simple, si un nodo 35 publica un mensaje determinado en un topic, todos los nodos subscritos a éste lo leerán. Puede haber múltiple publicadores y subscriptores para un único topic y un único nodo puede publicar y/o subscribirse a múltiples topics.  Servicios: Se trata de otra forma de comunicación, esta vez síncrona, entre nodos. Para ello atiende a protocolos de petición/respuesta. 4.3.2 Estructura propuesta Para el presente trabajo se necesita diseñar el control de movimientos de la cámara y su correspondiente interfaz, y todo ello ha de estar integrado en una arquitectura ROS para que puedan comunicarse con las plataformas que ya tiene diseñadas el proyecto MARCUS. Por lo tanto, la arquitectura ROS en cuestión que se ha propuesto se compone de cuatro nodos además del nodo maestro, y puede verse en la figura 20. Los nodos imagen cámara y robot WAM hacen referencia al software que controla la imagen de la cámara y los movimientos del brazo robótico respectivamente, dichos nodos no entran en el alcance de éste trabajo ya que los aporta el grupo de investigación, pero sí que se necesita incluirlos ya que hay que enviarles ciertos mensajes. Además de los cuatro nodos anteriormente mencionados, en la figura 20 se ha incluido un quinto nodo con líneas discontinuas, el nodo interfaz voz, que realmente no forma parte de la arquitectura pero que se comunica con ésta a través del nodo control de motores. La no inclusión de éste en la arquitectura ROS se debe a motivos de incompatibilidad que se tratarán más adelante en el subapartado implementación del nodo interfaz voz. Por lo tanto, los nodos que integran el sistema y los topics de los que hacen uso son: Nodo control de motores El nodo control de motores implementa los bloques MCI, Giro cámara y Control motores de la arquitectura de control, y está desarrollado en un sketch de Arduino. Dicho nodo está subscrito al topic ordenPos, del cual obtiene las órdenes de desplazamiento, y publica en el topic moverWAM la orden de desplazamiento del brazo robótico en caso de que sea necesario. Además, publica en el topic ordenZoom los valores de zoom que le llegan desde el nodo ficticio interfaz voz y puede recibir de éste las órdenes de desplazamiento del centro de la imagen a través de ∆Pos. Así mismo, cabe destacar que el presente nodo, implementado en Arduino, se conecta a la red ROS a través de un nodo puente, ya que es la forma que tiene Arduino de integrarse en ROS. Nodo interfaz teclado El nodo interfaz teclado implementa el bloque Cálculo posición de la arquitectura de control y está desarrollado en C++. Dicho nodo publica las órdenes de 36 desplazamiento en el topic ordenPos y los valores de zoom introducidos en el topic ordenZoom. Nodo interfaz voz (ficticio) El nodo interfaz voz se trata de un nodo ficticio (no conectado directamente a la arquitectura ROS sino a través del nodo control de motores) que, al igual que el nodo interfaz teclado, implementa bloque Cálculo posición de la arquitectura de control, pero esta vez en un sketch de Arduino. El actual nodo pasa las órdenes de desplazamiento del centro de la imagen al nodo control de motores a través de ∆Pos y los valores de zoom introducidos a través de zoom, para que éste a su vez los publique. Figura 20: Diseño de arquitectura basada en ROS Nodo imagen cámara Este nodo controla la imagen que capta la cámara y se suscribe al topic ordenZoom, del que saca el valor de zoom que ha de hacer. Nodo robot WAM El actual nodo controla el movimiento del brazo robótico WAM y está subscrito al topic moverWAM, del que extrae la orden de desplazamiento. Topics 37 Los diferentes topics, mencionados anteriormente durante el desarrollo de los diversos nodos, se exponen a continuación:  ordenPos: Los mensajes que en él se publican son de tipo String y contienen la orden de desplazamiento ∆P del centro de la imagen, mencionada en el apartado Arquitectura de control. En consecuencia, el formato de dichos mensajes está compuesto por dos números enteros de tres dígitos cada uno. Además, ambos valores van precedidos por su signo y se encuentran separados por “;”, tal y como se puede ver en el ejemplo expuesto en la expresión 26.  moverWAM: Los mensajes que en él se publican son también de tipo String y contiene los valores xR e yR que el brazo robótico ha de desplazarse. Para ello, el formato de los mensajes está compuesto por dos números enteros de dos dígitos cada uno, acompañados de sus correspondientes signos, tal y como se puede ver en la expresión 27.  ordenZoom: Los mensajes que en él se publican son de tipo Float32 y contienen los valores de zoom que ha de hacer la cámara. 4.3.4 Implementación del nodo interfaz voz El nodo interfaz voz implementa el bloque Cálculo posición de la arquitectura de control. Esta interfaz, implementada en un sketch de Arduino y que debido al espacio que ocupa se carga en un Arduino MEGA ADK, utiliza la shield EasyVR 2.0 para la introducción de comandos de voz. Dichos comandos necesitan de un entrenamiento previo que se realiza nada más ejecutar la interfaz, tras indicarle el usuario que está preparado para realizarlo. Las funciones que permite esta interfaz se muestran a continuación. Modo interfaz por voz:  Introducir comandos predeterminados de desplazamiento del centro de la imagen (arriba, abajo, derecha, izquierda). Para ello basta con decir “arriba”, “abajo”, “derecha”, “izquierda” y se desplazará una distancia predefinida.  Aumentar o disminuir el valor de zoom. Diciendo “aumenta” o “disminuye” se produce una variación de zoom prefijada de ±0.5.  Volver a entrenar los comandos de voz. Para ello hay que decir “entrenar”.  Cambiar al modo interfaz por teclado, diciendo “interfaz teclado”. 38 Además, en caso de que no funcione correctamente el modo interfaz por voz, en cualquier momento el usuario puede cambiar a modo interfaz por teclado pulsando en el mismo la letra t, ya sea en mayúscula o en minúscula. Modo interfaz por teclado:  Introducir comandos predeterminados de desplazamiento del centro de la imagen (arriba, abajo, derecha, izquierda pulsando “w”, “s”, “d”, “a” respectivamente).  Aumentar o disminuir el valor de zoom. Pulsando “+” y “-” se producen variaciones de ±0.5.  Mover el centro de la imagen a un punto concreto respecto a la posición actual, pulsando “p”.  Cambiar al modo interfaz por voz pulsando “v”. Cuando se introduce un comando a través del modo interfaz por teclado, a la interfaz le es indiferente si es mayúscula o minúscula ya que las entiende por igual. Es importante mencionar que la comunicación de la interfaz con el Arduino que implementa el nodo control de motores se hace a través de protocolos I2C/TWI, utilizando la librería Wire y siendo la interfaz el maestro en dicha comunicación. Se ha realizado este tipo de conexión ya que, al tratarse de una interfaz, necesita hacer uso del Serial de Arduino para mostrar información por pantalla y recogerla por teclado. Por lo tanto, el puerto USB queda ocupado por la comunicación serie de Arduino y no se puede conectar al nodo puente de ROS, quedando “aislada” de la arquitectura. Como se ha visto anteriormente, ese aislamiento no es tal ya que si se necesita enviar un valor de zoom a la arquitectura ROS, por comunicación I2C la interfaz se lo pasa al nodo control de motores y éste tal y como lo recibe lo publica en el topic ordenZoom. Para el desarrollo del sketch que implementa la interfaz por voz ha sido necesario incluir una serie de librerías. Éstas son:  EasyVR  SoftwareSerial  Wire La primera se puede descargar de la página web de EasyVR y aporta una serie de funciones que facilitan el trabajo con la shield, mientras que la tercera habilita la comunicación entre Arduinos mediante protocolos I2C/TWI. Así mismo, la segunda librería permite hacer un puerto serie software en los pines 12 y 13 para la shield, para así ponerla en el modo de operación SW y poder utilizar el Serial de Arduino (como se mencionó en el capítulo de arquitectura hardware). Además, el sketch cuenta con una serie de constantes y variables globales, necesarias para el correcto funcionamiento del mismo. Entre ellas destacan: 39  despCentro (constante): Desplazamiento (d0) del centro de la imagen por cada comando predefinido (derecha, izquierda…).  variacionZoom (constante): Valor de zoom que se incrementa o decrementa con cada orden de variación del mismo.  Zoom (variable global): almacena el valor de zoom en el que se encuentra la cámara. De entre todas las funciones presentes en el sketch, las más importantes son las siguientes:  setup( ): Inicializa la configuración de EasyVR comprobando si está conectada, eliminando todos los comandos almacenados anteriormente y reseteándola, poniéndole un tiempo de espera infinito y así esté todo el tiempo escuchando, indicándole que el idioma en el que se van a introducir los comandos es español, creando los comandos y entrenándolos. Para esto último llama a la función EntrenarTodo.  loop( ): Está compuesta por una serie de instrucciones que se repiten de forma cíclica, indefinidamente. En concreto, en este caso se llama a las funciones InstruccionesVoz, InterfazVoz, InstruccionesTeclado y a InterfazTeclado.  InstruccionesVoz( ): Muestra por pantalla las instrucciones de uso del modo interfaz por voz.  InterfazVoz( ): Reconoce los comandos de voz y desencadena la ejecución de las instrucciones necesarias para cada uno de ellos.  InstruccionesTeclado( ): Muestra por pantalla las instrucciones de uso del modo interfaz por teclado.  InterfazTeclado( ): Reconoce los comandos introducidos por teclado y desencadena la ejecución de las instrucciones necesarias para cada uno de ellos.  HacerZoom(float var): Calcula el nuevo valor de zoom y manda al nodo de control de motores dicho valor para que éste a su vez lo publique en ROS.  EnviarPosicion(int x, int y): Función que es llamada tanto desde la función InterfazVoz como desde InterfazTeclado, y es la encargada de enviar la orden de desplazamiento ∆P al nodo control de motores, a través de comunicación I2C, con su correspondiente formato.  EntrenarTodo( ): Espera a que el usuario esté listo, preguntando por pantalla y esperando una respuesta por teclado. Cuando la respuesta es afirmativa (Pide pulsar “s” para continuar y es indiferente si dicho carácter viene en mayúsculas o en minúsculas) desencadena todo el proceso de entrenamiento de los comandos. Todo el código generado durante la implementación de la interfaz cumple los estándares de programación de la BSSC [26]. Un problema que se encontró durante 40 dicha implementación fue la escasa documentación sobre el uso de la biblioteca EasyVR, teniendo únicamente la facilitada por el manual. 4.3.5 Implementación del nodo interfaz teclado El nodo interfaz teclado implementa el bloque Cálculo posición de la arquitectura de control. Esta interfaz se presenta como una alternativa a la anterior, si no se quiere o no se puede hacer uso del Arduino MEGA ADK y la shield EasyVR. Se implementa en C++ directamente como un nodo de ROS y se comunica con el nodo de control de motores y el programa de control de la imagen de la cámara a través de éste, publicando en los topics ordenPos y ordenZoom respectivamente. La estética y las funciones que implementa esta interfaz son idénticas al modo interfaz por teclado de la anterior interfaz, con la excepción del comando cambio a comandos de voz, que en ésta no está presente. Por lo tanto las funcionalidades que implementa son:  Introducir comandos predeterminados de desplazamiento del centro de la imagen (arriba, abajo, derecha, izquierda pulsando “w”, “s”, “d”, “a” respectivamente).  Aumentar o disminuir el valor de zoom. Pulsando “+” y “-” se producen variaciones de ±0.5.  Mover el centro de la imagen a un punto concreto respecto a la posición actual, pulsando “p”. La implementación de esta interfaz es muy similar a la anterior, salvando las diferencias entre el lenguaje propio de Arduino y C++, el modo de comunicación con el resto de la arquitectura y que esta interfaz es únicamente por teclado. Todo el código generado durante la implementación cumple los estándares de programación de la BSSC [26] y las librerías que incluye para llevar a cabo su función son:  Iostream  String  Sstream  Ros  Std_msgs/String  Std_msgs/Float32 La primera es necesaria para el flujo de entrada/salida de información en el programa, mientras que la segunda y la tercera se utiliza para la generación de la orden que se le mandará al nodo de control de motores. Así mismo, las tres últimas permiten la comunicación a través de ROS y el paso de información a través de mensajes, ya sea tipo String o Float. Las constantes que utiliza el programa son las mismas que en la anterior interfaz, y las principales funciones que se pueden encontrar en ésta son: 41  main( ): En este programa, a diferencia de en la primera interfaz, no hay una función setup que inicializa el mismo y otra loop que ejecuta una serie de instrucciones repetidamente, sino que ésta función cubre ambas acciones. Por lo tanto, en primer lugar inicializa la comunicación con ROS y llama a la función Instrucciones para, en segundo lugar, ejecutar dentro de un bucle lo que en la anterior interfaz era la función InterfazTeclado y que en este caso no es una función aparte sino parte del main.  Instrucciones ( ): Muestra por pantalla las instrucciones de uso de la interfaz por teclado.  HacerZoom(float var, float &zoom, int &alturaVar, ros::Publisher ordenZoom): Calcula el nuevo valor de zoom y publica en el topic correspondiente en ROS dicho valor.  PublicarPosicion(int x, int y, int alturaVar, ros::Publisher ordenPos): Crea la orden de desplazamiento del centro de la imagen ∆P con el formato adecuado y la manda a través de ROS, publicándola en el topic correspondiente. 4.3.6 Implementación del nodo control de motores El nodo control de motores, que implementa los bloques MCI, Giro cámara y Control motores de la arquitectura de control, se ha implementado en un sketch de Arduino, el cual cumple los estándares de programación que marca la BSSC [26]. Para ello, en primer lugar ha sido necesario incluir una serie de librerías:  Servo  Wire  Ros  Std_msgs/String  Std_msgs/Float32 La primera librería está compuesta de funciones que facilitan el control de servomotores en Arduino, mientras que la segunda permite la comunicación entre Arduinos mediante protocolos I2C/TWI. Por otra parte, las tres últimas librerías permiten la comunicación del sketch con el resto de componentes de la arquitectura ROS. En la comunicación entre Arduinos el presente sketch actúa como esclavo, siendo el maestro el sketch de interfaz por voz. Es por eso el control de motores no hará nada hasta que le llegue una orden del maestro, funcionando de forma completamente pasiva. Dicho esto, las principales constantes y variables globales que se pueden encontrar en el sketch son: 48 La representación gráfica de los valores obtenidos se muestra en las figuras 21 y 22. Figura 21: valores de φ, ϕ, θ1 y θ2 que la cámara iría adoptando frente a la distancia d Como se puede observar en la figura 21, los ángulos φ y ϕ, y en consecuencia θ1 y θ2 también, trabajan en conjunto para conseguir que la cámara adopte una distancia d determinada con respecto a la vertical. La existencia de varios ángulos φ, ϕ, θ1 y θ2 para una misma distancia d se debe a que una misma distancia se puede alcanzar con distintas configuraciones de pares de ángulos. Además, como se puede observar, la segunda gráfica presenta una forma idéntica a la primera pero invertida, y a diferente escala en el eje Y. La diferente escala del eje Y se debe a los coeficientes k1 y k2 de transmisión de movimiento ya mencionados, mientras que la forma invertida se debe a que los valores de θ1 y θ2 superiores a sus respectivos θ1rep y θ2rep (ambos de 90º) generan valores negativos en sus correspondientes giros de la cámara, mientras que los valores inferiores a éstos generan valores positivos. Además, en la figura 22 se puede ver de forma más clara un fenómeno que también aparece en la figura 21, una alta concentración de puntos en d=7.22. Esto se debe a que, cada vez que se desplaza el robot WAM, la cámara adopta un ángulo γ de γmax/2 y, en consecuencia, la distancia d es siempre la misma. Así mismo, se puede observar en la figura 22 que el ángulo γ nunca supera el valor de γmax ya que en tal caso se produce dicho desplazamiento del brazo robótico. 49 Figura 22: Valores de γ y ∆PR frente a la distancia d 5.5 Experimentación in-vitro Una vez calibrado el motor 1 y determinado el coeficiente de transmisión de movimiento k1, se procedió a la validación del control desarrollado mediante experimentación in-vitro. Dicha experimentación nos permitió descubrir varias limitaciones del diseño del mini-robot:  Tan solo admite valores positivos de desplazamiento sobre el eje X. Debido a la naturaleza de los elementos elásticos, si se pretende hacer un desplazamiento negativo se precisa de una recuperación en dichos elementos, los cuales están ligeramente tensados cuando el servomotor se encuentra en su posición de reposo θ1rep. Aunque los servomotores liberan cuerda, dicha recuperación no llega a ocurrir a no ser que se produzcan variaciones grandes de ángulo en el servomotor.  La variación del ángulo en el servomotor ha de ser como mínimo de 20º para que se produzca un desplazamiento del centro de la imagen. Esta limitación también se debe a los mencionados elementos elásticos. 50  La interacción magnética entre el mini-robot y el holder magnético provoca que cuando el brazo robótico se desplaza, el rozamiento entre el holder y la superficie sea demasiado grande, lo que hace que el brazo robótico no se desplace la cantidad deseada. Es por esto que no se muestran a continuación órdenes que desencadenen un movimiento del WAM, ya que, si bien conducen a un desplazamiento con las coordenadas correctas, el brazo robótico no realiza un correcto desplazamiento. Para la realización de las pruebas experimentales se volvió a hacer uso de una cuadrícula. Al igual que en los procedimientos anteriores, se marcó en dicha cuadrícula la posición del centro de la imagen cuando el motor 1 estaba en su ángulo de reposo θ1rep y, una vez hecho esto, se introdujeron las órdenes pertinentes y se anotaron los respectivos desplazamientos del centro de la imagen. El montaje experimental se muestra en las figuras 23 y 24. En la primera de ellas se puede observar el exterior de la caja de metacrilato (que simula la cavidad abdominal), mientras que en la segunda se muestra el mini-robot adherido a la superficie de la caja mediante interacción magnética. Figura 23: Brazo robótico WAM sujetando el mini-robot 51 Figura 24: Mini-robot en el interior de la caja de metacrilato que simula la cavidad abdominal Dicho esto, las órdenes introducidas ∆P0 junto con sus valores de zoom, ∆P, la distancia teórica (distancia de desplazamiento esperada con respecto a la vertical) y la distancia real que se desplazó el centro de la imagen, junto con el error encontrado, se muestran a continuación. Cabe destacar que las órdenes de desplazamiento no son consecutivas, sino que todas se realizan desde la vertical. Orden ∆P0 (mm) Zoom ∆P (mm) Distancia teórica (mm) Distancia real (mm) Error (mm) Derecha (10, 0) 1 (10, 0) 10 9.5 0.5 Punto (12, 0) 1 (12, 0) 12 10.75 1.25 Punto (5, 0) 1 (5, 0) 5 6.4 -1.4 Punto (8, 0) 1 (8, 0) 8 7.8 0.2 Derecha (10, 0) 2 (5, 0) 5 5.35 -0.35 Punto (12, 0) 2 (6, 0) 6 6.6 -0.6 Con una desviación típica de los errores y una media de los valores absolutos de los mismos de 0.92 y 0.72 respectivamente. En base a dichos errores se puede afirmar que el control funciona correctamente, ya que nunca exceden de milímetro y medio, y se deben a que el parámetro k1 se ha calculado de forma experimental, lo que 52 inevitablemente implica un margen de error respecto a su valor real. La representación gráfica de los errores obtenidos frente a las distancias teóricas se muestra en la figura 25. Figura 25: valores de desplazamiento reales frente a estimados para cada orden de desplazamiento Como se puede observar en la figura, el error debido al parámetro k1 es aleatorio y no depende de los valores ∆P0 de entrada al sistema. 5.6 Experimentación in-vivo Con el objetivo de verificar la validez del diseño del mini-robot, así como la calidad de la imagen proporcionada por la cámara, se ha realizado un experimento invivo con un modelo porcino en el Centro IACE (Instituto Andaluz de Cirugía Experimental) de Málaga. Algunas de las fotografías que se tomaron en dicho experimento se muestran en las figuras 26, 27, 28 y 29. Gracias a este experimento se comprobó que, pese a que la fuerza de los imanes era demasiado fuerte en la caja de metacrilato (utilizada durante los experimentos invitro para simular la cavidad), en el animal, debido al grosor de su pared abdominal, la atracción ejercida entre los imanes era la suficiente como para que el mini-robot no se despegara de la misma, pero no tan fuerte como para que no se pudiera desplazar sin dañarla. 53 Figura 26: Momento de la sujeción del mini-robot mediante interacción magnética. 54 Figura 27: Mini-robot alojado en el interior de la cavidad abdominal, imagen mostrada por un endoscopio Figura 28: Monitores para visualización de imágenes. A la derecha se muestra la imagen mostrada por el endoscopio, y a la izquierda la imagen mostrada por el mini-robot. Como se puede observar en la figura 29, la imagen captada por la cámara tiene una calidad más que óptima para la realización de cualquier tipo de procedimiento quirúrgico enmarcado en la cirugía laparoscópica de puerto único. Además, cabe destacar que la mini cámara tiene el valor añadido de poder hacer un zoom digital de la imagen, visualizando pequeños detalles en caso de ser necesario. Tras la finalización del experimento los cirujanos mostraron su satisfacción con el diseño desarrollado, tanto por la innovación que supone, como por la buena calidad de la imagen y por los grados de libertad del mini-robot, gracias a los cuales se puede abarcar todo el campo de trabajo sin perder la calidad de la misma. 55 Figura 29: Imágenes captadas por la mini cámara 5.7 Conclusiones A lo largo del capítulo se ha visto cómo se ha realizado la calibración del motor 1, la determinación de su coeficiente de transmisión de movimiento k1, la simulación teórica a la que se ha sometido el sistema y las pruebas experimentales que se le han hecho al mismo, con el objetivo de comprobar su validez. En el subapartado que trata la simulación teórica quedó demostrado que funcionan aquellas características del control que no pudieron ser utilizadas durante la experimentación in-vitro, mientras que en dicha experimentación se comprobó que, dentro de los rangos que permitía el minirobot, el control diseñado funciona de forma satisfactoria, cumpliendo con las expectativas puestas en él. 56 Capítulo 6: Conclusiones y desarrollos futuros 6.1 Conclusiones A lo largo de la memoria se han ido exponiendo los trabajos realizados durante el desarrollo del presente trabajo de fin de grado, demostrando que se han alcanzado todos los objetivos expuestos en el anteproyecto. En primer lugar se expuso una introducción al trabajo y una descripción del mini-robot, viendo tanto el diseño del mismo como sus mecanismos de transmisión de movimiento, además de los dispositivos de los que se sirve y del brazo robótico con el que interactúa. En segundo lugar, se presentó la arquitectura hardware diseñada, tratando tanto los microcontroladores necesarios, con sus respectivas características y motivos de su elección, como la shield EasyVR, demostrando que se cumple el requisito inicial de bajo coste. Además, en tercer lugar se describió la arquitectura de control diseñada para el control de movimientos de la cámara y su implementación en una arquitectura ROS, compuesta por diversos nodos, detallando desarrollo de cada uno de ellos. Finalmente, se realizaron una serie de experimentos para validar el correcto funcionamiento del control, entre los que se encuentran una simulación teórica y una experimentación in-vitro. Los resultados de dichos experimentos demuestran la viabilidad del control desarrollado. Además de la experimentación in-vitro, se realizó un experimento in-vivo, en la que se han podido analizar la viabilidad del diseño del mini-robot. 6.2 Líneas de desarrollo futuro Si bien queda demostrado que el control diseñado funciona correctamente, se derivan de éste diversos problemas que se plantean como líneas de desarrollo futuro. 57  El primero y más importante es mejorar el sistema de transmisión de movimientos del mini-robot, ya que la mayor parte de las dificultades que han ido surgiendo derivan de la naturaleza de los elementos elásticos escogidos para el mismo.  El segundo problema que se ha de solventar es corregir el mini-robot para que pueda realizar correctamente su giro transversal. Cuando se solucione este problema se podrá estudiar su libertad de movimiento hacia ambos lados de la vertical.  El tercer problema que se ha de solventar es la determinación de la altura inicial de la cámara con respecto a las vísceras cuando está sujeta a la pared abdominal, en el interior de la cavidad, ya que dicha altura es complicada de medir.  El cuarto, que se deriva del tercero, se debe a que cuando la pared abdominal se encuentra hinchada y lista para la intervención, la superficie a la que se adherirá el mini-robot no es plana sino curva, por lo que si el robot WAM produce un desplazamiento del mini-robot, la altura a la que se encuentra el dispositivo podría aumentar o disminuir. Por lo tanto sería necesario algún sistema que compensase este efecto.