Estrategia de control del robot UR3 para entornos de cirugía robotizados

Máster en Ingeniería Industrial MÁSTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID TRABAJO FIN DE MÁSTER Estrategia de control del robot UR3 para entornos de cirugía robotizados Autor: Álvaro Muñoz García Tutor: Juan Carlos Fraile Marinero Valladolid, septiembre, 2020 Resumen La cirugía endoscópica endonasal es una técnica mínimamente invasiva para la extirpación de tumores en la base del cráneo. La presencia de estructuras anatómicas críticas, como la arteria carótida y el nervio óptico, hace que la precisión de los movimientos sea sumamente importante. La cirugía robótica es una excelente herramienta para aquellas intervenciones en las que la precisión es crítica. En este Trabajo Fin de Máster se propone un sistema robótico basado en el brazo robótico UR3 de Universal Robots utilizando el entorno de trabajo ROS. Se ha desarrollado un sistema de control basado en fuerza que garantice minimizar las fuerzas de contacto que puedan aparecer durante la intervención, validado a través de la simulación de diferentes escenarios de colisión y contacto. Abstract Endoscopic endonasal surgery is a minimally invasive technique to remove skull base tumors. Precision is extremely important due to the presence of critical anatomical structures, such as the carotid artery and the optic nerve. Robotic surgery is an excellent tool for those procedures in which precision is key. In this thesis a robotic system based on the Universal Robots UR3 robotic arm using the ROS framework is proposed. A force-based control system that ensures the minimization of the contact forces that may appear during the intervention has been developed and validated through the simulation of different collision and contact scenarios. Palabras clave Cirugía mínimamente invasiva; Cirugía endoscópica endonasal; Cirugía robótica; ROS; Control de fuerza Keywords Minimally invasive surgery; Endoscopic endonasal surgery; Robotic surgery; ROS; Force control III Agradecimientos Con la redacción de este Trabajo Fin de Máster pongo fin a una etapa de mi vida que empezó desde que tengo recuerdos. Han sido muchos años detrás de una mesa aprendiendo, estudiando, sufriendo y también disfrutando, y parece que de momento, esta etapa ha llegado a su fin. Querría agradecer a mi tutor Juan Carlos la implicación y preocupación que ha mostrado durante la elaboración de este TFM y durante mi estancia como trabajador en ITAP. También querría hacer mención especial a mi padre, a mi madre y a mi hermana, con los que he podido compartir los buenos y malos momentos de esta etapa. Gracias también a todos los compañeros y amigos de dentro y fuera de la universidad, que han hecho mucho más fácil este viaje. Hasta la próxima. V Índice general Índice general VII Índice de figuras XI Índice de tablas XV 1. Introducción y objetivos 1 1.1. Introducción................................... 1 1.2. Objetivos .................................... 3 2. Estado del arte 5 2.1. Evolución de tećnicas quirúrgicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1. Cirugía mínimamente invasiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2. Cirugía endoscópica endonasal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.3. Cirugíarobotizada ........................... 9 2.1.4. Cirugía robotizada aplicada al campo endonasal . . . . . . . . . . . 15 2.1.5. Conclusiones .............................. 21 2.2. Sistemasdecontrol............................... 22 2.2.1. Métodos de control de compliance ................... 22 2.2.1.1. Métodos de control activos directos . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.1.2. Métodos de control activos indirectos . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2. Conclusiones .............................. 27 2.3. Sistemas de control. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.1. Campoendonasal............................ 29 2.3.2. Otroscampos.............................. 31 VII 3. Descripción hardware ysoftware 35 3.1. Hardware .................................... 35 3.1.1. Brazorobótico ............................. 35 3.1.2. Pinza................................... 37 3.1.3. Sensordefuerza............................. 37 3.1.4. Intercambiador de herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.5. Dispositivos médicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.1.6. Cráneo y soporte del cráneo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.1.7. Portaherramientas para el endoscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2. Software..................................... 46 3.2.1. MoveIt ytf2 ............................... 46 3.2.2. Paquetes conexión UR3 ........................ 47 3.2.3. URScript ................................ 49 3.2.4. Rviz yURSim .............................. 50 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal 53 4.1. Introducción................................... 53 4.1.1. Descripción escenario completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.2. Sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2. Sistema de control sin realimentación de fuerza . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2.1. Biblioteca de movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2.2. Flujo de trabajo y limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.3. Sistema de control con realimentación de fuerza . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3.1. Biblioteca URScript .......................... 61 4.3.2. Descripción sistema de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3.3. Sintonización controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.3.4. Filtrado señal de fuerza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza 75 5.1. Introducción................................... 75 5.2. Escenarios.................................... 77 VIII 5.2.1. Escenario1 ............................... 77 5.2.2. Escenario2 ............................... 81 5.2.3. Escenario3 ............................... 84 5.2.4. Escenario4 ............................... 87 5.2.5. Escenario5 ............................... 90 5.3. MejoradelejeZ................................. 91 5.4. Conclusiones................................... 94 6. Conclusiones y líneas futuras 95 6.1. Conclusiones................................... 95 6.2. Líneasfuturas.................................. 96 Bibliografía 99 A. Robot UR3 107 A.1. Especificaciones técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 A.2. Brida de salida de la herramienta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 B. Sensor de fuerza HEX-E 111 B.1. Especificaciones técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 B.2.Planos......................................112 IX Capítulo 1 Introducción y objetivos En este primer capítulo introductorio se presenta la problemática que ha dado pie a la realización del Trabajo Fin de Máster (TFM), el proyecto en el cual se encuentra englobado y los objetivos que se persiguen. 1.1. Introducción El presente TFM se ha realizado como parte del plan de estudios del Máster en Ingeniería Industrial de la Universidad de Valladolid, en el instituto universitario de investigación ITAP (Instituto de las Tecnologías Avanzadas de la Producción). El trabajo realizado se encuentra enmarcado dentro del proyecto Craneeal, financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad con referencia DPI2016-80391C3-1-R. Se trata de un proyecto en colaboración con la Universidad de Málaga y la Universidad Miguel Hernández de Elche. Una parte del trabajo desarrollado en este TFM se publicó en el congreso "Robot 2019: Fourth Iberian Robotics Conference", en concreto, el paper se tituló: "Integration of a Surgical Robotic Co-worker in an Endoscopic Neurosurgical Assistance Platform" [25]. La cirugía endoscópica endonasal es una técnica mínimamente invasiva para intervenciones en la base del cráneo. El material quirúrgico específico, así como el endoscopio, son introducidos a través de las fosas nasales del paciente. Pese a las ventajas que supone este enfoque frente a uno tradicional, como la reducción del tiempo de recuperación y evitar cicatrices en la cara, supone otros retos. La presencia de estructuras anatómicas críticas como la arteria carótida y el nervio óptico hace que la precisión de los movimientos sea sumamente importante. El proyecto Craneeal presenta un asistente robótico diseñado especialmente para la neurocirugía de abordaje endonasal. Consta de un brazo robótico teleoperado por el cirujano con realimentación háptica y un nivel de asistencia variable, encargado de portar las he1 Capítulo 1. Introducción y objetivos rramientas quirúrgicas; otro brazo robótico autónomo guiará el endoscopio por la cavidad nasal. Además se utilizará un intercambiador de herramientas automático que permita el cambio de herramientas de forma rápida y segura. El sistema aportará información acerca de los desplazamiento de la materia cerebral, debido al cambio en la presión interior al practicar el orificio en la base del cráneo. Este fenómeno se conoce como brain shift. De esta forma, se libera al cirujano de un número de tareas que le permitirá concentrarse en las maniobras críticas, aportando seguridad al procedimiento. En la Figura 1.1 se muestra un esquema preliminar del sistema robótico. El proyecto global plantea los siguientes objetivos globales: Diseño y desarrollo de un sistema robótico especializado en el abordaje endonasal para neurocirugía Diseño y desarrollo de un sistema de navegación neuroquirúrgica para abordaje endonasal Diseño y desarrollo de técnicas de cooperación entre el cirujano y el sistema robótico durante el abordaje endonasal Integración y evaluación de la eficiencia del sistema robótico completo Figura 1.1: Esquema preliminar del proyecto Craneeal [1] 2 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 1. Introducción y objetivos El proyecto Craneeal tiene un alcance muy amplio del cual únicamente se cubrirán las siguientes partes: programación y comunicación con el robot autónomo, diseño de sistemas de control para el robot autónomo en función de la fase de la intervención, desarrollo de un intercambiador de herramientas, así como su interacción con la plataforma robótica y creación de soportes para anclar las herramientas quirúrgicas al brazo robótico. 1.2. Objetivos Una vez planteados los objetivos generales del proyecto Craneeal, y habiendo acotado el alcance del TFM, se pueden fijar los siguientes objetivos para el desarrollo del mismo: Revistar la literatura para conocer el estado actual de desarrollo de la cirugía robótica en el campo endonasal y los diferentes enfoques existentes para abordar un control de fuerza, tanto en entornos quirúrgicos como industriales Desarrollo de primitivas de movimiento ejecutadas en un ordenador remoto bajo el entorno de trabajo ROS que permita controlar el brazo robótico UR3 Creación de un entorno de simulación que represente el estado del robot en el escenario de trabajo de forma gráfica Diseño de un sistema de control con realimentación de fuerza que se adapte a las condiciones dinámicas de la intervención, minimizado los potenciales daños y aumentado la seguridad Validación del sistema de control con realimentación de fuerza mediante la simulación de posibles escenarios de contacto y colisión El TFM está estructurado de la siguiente manera: en el capítulo 2 se describe el estado del arte de la evolución de las técnicas quirúrgicas y los sistemas de control de compliance. En el tercer capítulo se hace una descripción del hardware ysoftware utilizado para el desarrollo del proyecto. En el capítulo 4 se describen los dos sistemas de control desarrollados, con y sin realimentación de fuerza. En el quito capítulo se lleva a cabo la validación del sistema de control con realimentación de fuerza y finalmente en el capítulo sexto se resumen las conclusiones del TFM y las líneas futuras de trabajo. Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 3 Capítulo 2 Estado del arte Una vez introducido el tema del TFM, en este segundo capítulo se desarrolla el estado del arte de la evolución de las técnicas quirúrgicas, desde la cirugía mínimamente invasiva hasta la cirugía robótica, centrándose finalmente en el campo endonasal; también se cubrirán los llamados métodos de control de compliance, que se adaptan al entorno en el que se mueve el robot. 2.1. Evolución de tećnicas quirúrgicas Este apartado recoge la aparición de la cirugía mínimamente invasiva desde una perspectiva general, para más adelante centrarse en cirugía endoscópica endonasal. Finalmente se revisará la bibliografía para hablar sobre las plataformas robotizadas que existen en el mercado o bien están en desarrollo, tanto de carácter generalista, como aquellas específicamente diseñadas para el acceso endonasal. 2.1.1. Cirugía mínimamente invasiva La cirugía mínimamente invasiva (CMI) describe una parte de la cirugía que abarca todas las disciplinas tradicionales. Puede considerarse una filosofía, un modo de pensar. Consiste en la utilización de pequeñas incisiones utilizando sistemas de imagen miniaturizados para reducir el traumatismo de la exposición quirúrgica. El término “cirugía de acceso mínimo” describe mejor la filosofía, utilizar incisiones mínimas para acceder a los lugares dónde se va a operar [26]. Apareció por primera vez en 1987 con un procedimiento llamado colecistectomía laparoscópica, cuyo objetivo es la extirpación de la vesícula biliar [27]. A partir de ese momento, el número de procedimientos fue aumentando gracias a los avances en la tecnología y mejora de la destreza por parte de los cirujanos. En la Figura 2.1 se muestra una comparativa entre un enfoque tradicional de cirugía abierta, frente a un procedimiento de CMI. 5 Capítulo 2. Estado del arte Figura 2.1: Comparativa entre colecistectomía abierta y colecistectomía laparoscópica [2] Ventajas y limitaciones A continuación se resumen las ventajas más importantes de la CMI en relación a cirugía abierta: El tamaño de las incisiones es menor, con el consecuente beneficio en términos estéticos y trauma en los tejidos sanos Posibilidad de evitar anestesia general El riesgo de infección es menor Disminución del dolor postoperatorio y mejora de la respuesta inmunológica Las estancias hospitalarias son menores, habilitando una reincorporación laboral más rápida y morbilidad asociada a la estancia postoperatoria reducida Pese a las numerosas ventajas de la CMI, también hay que tener en cuenta las siguientes limitaciones, algunas inherentes a la naturaleza del equipamiento utilizado: Pérdida del tacto, haciendo que la manipulación de tejidos pase a depender más de la visualización, y no tanto de la realimentación de fuerza Perdida de coordinación ojo-mano La visualización de las imágenes proporcionadas por el endoscopio en un monitor en 2 dimensiones supone la pérdida de visión espacial, haciendo que los movimientos sean menos intuitivos, aumentando la dificultad del procedimiento 6 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 2. Estado del arte Capacidad de movimiento restringida Los temblores del cirujano no son amortiguados, sino que se transmiten a lo largo de los instrumentos rígidos [28] Algunas limitaciones pueden superarse con formación específica, adaptándose a la palpación con instrumentos. Otras limitaciones, como la pérdida de profundidad, se van paliando con avances tecnológicos, como la introducción de endoscopios que proporcionan vídeo en tres dimensiones [29]. 2.1.2. Cirugía endoscópica endonasal En el apartado anterior se han descrito cuáles son las características de la CMI con carácter general. Este apartado se centrará en el abortamiento de tumores en la base del cráneo. Los posibles tratamientos de estos tumores pueden consistir en cirugía, radioterapia y/o quimioterapia [30]. En los casos en los que cirugía es necesaria, el enfoque tradicional ha sido la microcirugía, en la cual se practica un incisión bajo el labio superior y se retira una gran parte del tabique nasal, de forma que el cirujano pueda ver directamente el área de acceso al tumor. La cirugía endoscópica transesfenoidal transnasal es la técnica de CMI cuyo objetivo es la extirpación de tumores en la base del cráneo, de hipófisis o glándula pituitaria. También se conoce por sus siglas en inglés EETS (Endoscopic endonasal trans-sphenoid surgery). Como su nombre indica, transesfenoidal significa a través del seno esfenoidal, que se accede desde los orificios nasales. Para ello, hay que hacer una incisión mínima en la parte posterior de la cavidad nasal. En la Figura 2.2 se muestra una representación del acceso a zona tumoral y las cavidades que atraviesa [3]. Figura 2.2: Visión general de las partes implicadas en una EETS. Traducción de [3] Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 7 Capítulo 2. Estado del arte Descripción del procedimiento quirúrgico La técnica que se va a describir es conocida como 2 cirujanos 4 manos, o técnica de las 4 manos. Se introduce el endoscopio por el orificio nasal izquierdo y avanza hasta la parte posterior de la cavidad nasal. Una pequeña parte del tabique nasal es retirada utilizando un taladro a través del orificio derecho, y se abre el acceso al seno esfenoidal. Un cirujano es el encargado del lado izquierdo, por dónde además del endoscopio también se introduce un aspirador quirúrgico, mientras que el otro cirujano utiliza el lado derecho para introducir las diferentes herramientas. En la parte posterior del seno esfenoidal se encuentra un hueso que recubre la glándula pituitaria, llamado silla turca. Este delgado hueso se retira para exponer el revestimiento del cráneo llamado duramadre. Ésta es abierta, dando acceso al tumor y a la glándula pituitaria. A través del agujero practicado en la silla turca, el cirujano extirpa el tumor utilizando instrumentos de agarre largos. Una vez se ha extirpado toda la parte visible del tumor, se inspecciona si este ha crecido lateralmente dentro del seno cavernoso. Debido a la presencia de nervios y vasos sanguíneos, la extirpación completa del mismo puede ser complicada sin causar daños, por lo que la masa tumoral restante podrá ser eliminada posteriormente con tratamientos de radiación. El último paso es cerrar la apertura practicada en la silla turca, utilizando, si fuera posible, un injerto de hueso del tabique nasal. De no serlo, puede sustituirse por un injerto de material sintético. En cualquiera de los casos, se aplica pegamento biológico sobre el injerto en el seno esfenoidal. Este pegamento permite la curación y evita la fuga de líquido cefalorraquídeo del cerebro al seno esfenoidal y a la cavidad nasal [3, 31]. En la Figura 2.3 se muestra una representación de la zona de acceso y zona tumoral una vez ha finalizado la intervención. Ventajas y limitaciones La EETS está ganando aceptación como tratamiento de primera línea para la mayoría de los tumores pituitarios. En [32] se realizó una revisión bibliográfica de la que se pueden extraer las siguientes ventajas respecto a un enfoque de microcirugía: Menor morbilidad al evitar la craneotomía, la retracción del cerebro y la reducción de la manipulación neurovascular Mejora de la calidad de vida en términos de incomodidad y percepción del dolor del paciente Tiempo de operación y duración de la estancia en la hospital reducida, con las consecuentes ventajas que esto supone 8 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 2. Estado del arte Figura 2.3: Sellado del injerto con pegamento biológico. Traducción de [3] Menor pérdida de sangre Mejor respuesta visual y endocrinológica Mayor resección1de tumores Respecto a las limitaciones encontramos las siguientes: La sinusitis se considera una contraindicación para el enfoque transfenoidal debido a la posible propagación transcraneal de la infección La ausencia de neumaticidad2del seno esfenoidal puede plantear complicaciones debido a la posición cercana de la arteria carótida La transición desde microcirugía a EETS supone una acentuada curva de aprendizaje Dependiendo de la posición, consistencia o tamaño del tumor, un enfoque EETS puede no ser practicable 2.1.3. Cirugía robotizada El nacimiento de la cirugía robótica tuvo lugar en un momento en el que las técnicas de cirugía mínimamente invasiva iban siendo adoptadas por los cirujanos, y se buscaba paliar las limitaciones inherentes a dichas técnicas. Algunos sugieren que la cirugía robótica es la evolución natural de la CMI. 1Resección se refiere a extirpación quirúrgica 2La neumaticidad es la presencia de cavidades de aire dentro de huesos Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 9 Capítulo 2. Estado del arte Seno esfenoidal Orificio nasal Figura 2.8: Ejemplo de nube de puntos y espacio de trabajo. Adaptación de [7] La primera limitación de los resultados obtenidos es debida a la utilización de cadáveres conservados a 0 °C sin el uso de formol, por esta razón, el espacio de trabajo es un poco más amplio y los tejidos blandos se encogen, lo cual puede distorsionar los resultados. La segunda limitación se debe a que el origen de la totalidad de los cadáveres era del sureste asiático, pudiendo haber variaciones respecto a otros continentes. En [8] se realiza un estudio de las necesidades cinemáticas y dinámicas de una interfaz háptica para la simulación de intervenciones EETS. Para la estimación del espacio de trabajo, se apoyan en un estudio de la geometría de la cavidad nasal realizado por [44], y determinan que se puede reducir a un trono de cono cuyas dimensiones se muestran en la Figura 2.9. En este caso, también comienza en los orificios nasales, aunque finaliza en la glándula pituitaria. Figura 2.9: Espacio de trabajo aproximado a un tronco de cono. Adaptación de [8] 16 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 2. Estado del arte Soportes endoscópicos mecánicos En el apartado 2.1.2 se describía la técnica de 4 manos para el acceso endonasal, la cual supone un trabajo conjunto de al menos dos cirujanos, uno de los cuales sostiene el endoscopio y el otro se encarga de la disección quirúrgica, requiriendo de alta coordinación entre ambos. Un primer avance fue la utilización de soportes para el endoscopio no robotizados, mejorando la precisión y permitiendo eliminar los temblores, y consecuentemente, disminuyendo la fatiga. En la Figura 2.10 se muestra el soporte Endocrane del fabricante Karl Stroz [9]. Figura 2.10: Soporte de endoscopio Endocrane de Karl Storz [9] En [45] se realizó una encuesta a neurocirujanos en relación al uso de soportes endoscópicos. Los resultados mostraron que la mayoría de los neurocirujanos preferían no utilizar los soportes endoscópicos en intervenciones en la base del cráneo. Los encuestados destacaron las siguientes características positivas y negativas: Características positivas: estabilidad, número de articulaciones (grados de libertad), maniobrabilidad y seguridad Características negativas: movimientos poco suaves, grados de libertad limitados en comparación a una mano, deriva hacia abajo (debido al propio peso del endoscopio), falta de flexibilidad, caro y voluminoso Prototipos de sistemas robóticos en el campo endonasal Para superar las limitaciones de los soportes mecánicos, se desarrollaron los sistemas robóticos para su utilización en la campo endonasal. A continuación, se revisa la biblioEstrategia de control en entornos de cirugía robotizada 17 Capítulo 2. Estado del arte grafía referente a sistemas robóticos para acceso endonasal que se encuentran en fase de desarrollo, analizando sus principales características. Se pueden encontrar dos interfaces de control diferentes: telemanipulación (TM) y modo cooperativo (MC). La TM se utiliza para controlar la posición del endoscopio mediante voz, movimientos de cabeza, pedal o joystick. El MC es una alternativa en la que el cirujano y el brazo robótico cooperan para sostener el endoscopio. El cirujano puede mover manualmente el instrumento, como si se tratara de una cirugía convencional, y el robot mantiene la posición del endoscopio una vez el cirujano detiene el movimiento. Los diferentes prototipos se presentan en la Tabla 2.2. Todos los prototipos resumidos en la Tabla 2.2, tienen un principio de funcionamiento similar basado en un sistema robótico actuado por motores, en cambio, iArmS [58] es la excepción. Se trata de un brazo mecánico articulado, con un encoder, freno y sensor de fuerza alojado en cada articulación, y su objetivo es que el brazo del cirujano pueda reposar sobre éste, disminuyendo el temblor y la fatiga. Las articulaciones son capaces de mantener su posición, así como de liberarse para poder alcanzar una nueva posición. La principal limitación de este sistema es su coste (98.000 $), lo cual lo hace inaccesible para muchos centros. En términos generales, los autores coinciden en las limitaciones que tiene un sistema de telemanipulación basado en joystick. No sólo hace necesario que tenga que ser controlado por otro cirujano, sino que ambos deben estar muy bien compenetrados. Esto ha dado lugar a la utilización de otros sistemas de telemanipulación, como aquellos basados en pedales, seguimiento de cabeza o control por voz. Otra de las principales limitaciones que comparten son las dimensiones del sistema robótico, lo cual limita los movimientos del cirujano. A continuación se va a hablar del primer sistema comercial en este campo, el Endoscope Robot [59]. Sistema comercial Endoscope Robot El sistema Endoscope Robot desarrollado por Medineering Surgical Robots [59] se ha puesto recientemente a la disposición para la realización de pruebas clínicas. Se trata de un robot compacto de 7 grados de libertad desarrollado específicamente para trabajar como un soporte endoscópico en operaciones en la base del cráneo. El interfaz de control es un pedal accionado por el cirujano que tiene tres modos de funcionamiento: avance y retroceso en planos coronales, rotación y traslación. En la Figura 2.11 se muestra el sistema completo. En diciembre de 2018 se realizó un estudio [60] contando con la participación de 30 cirujanos especializados en la base del cráneo. Se plantearon 2 tareas a realizar sobre un 18 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 2. Estado del arte Autor (Año) Nombre Interfaz control Tarea Nimsky [46] 2004 EVO1 Joystick (TM) Soporte endoscopio Wurm [47] 2005 A73 Autónomo + Joystick (TM) Soporte endoscopio Nathan [48] 2006 AESOP Control por voz (TM) Soporte endoscopio Strauss [49] 2007 - Joystick (TM) Soporte endoscopio Xia [13] 2008 - MC Soporte endoscopio o taladro Yoon [50] 2011 - Doble joystick (TM) Soporte endoscopio con sistema de flexión activa Eichhorb [51] 2011 Tx40 Joystick (TM) y seguimiento autónomo Soporte endoscopio Swaney [52] 2012 -Consola cirujano (TM) Sistema robótico con 2 pinzas, aspirador y endoscopio flexible con fuente de luz Trevillot [53] 2013 HYBRID MC Soporte endoscopio Schneider [54] 2013 TENTACLE LIKE Joystick (TM) Manipulador instrumentos Cabuk [55] 2015 SP ROBOTIC SYSTEM Joystick (TM) Soporte endoscopio Swaney [56] 2015 -Interfaz de usuario (TM) 2 brazos robóticos. Pinza y cureta Chan [57] 2016 FREE Control por voz (TM) Soporte endoscopio Bolzoni [43] 2017 BEAR Seguimiento cabeza (TM) Soporte endoscopio Ogiwara [58] 2017 iArmS Operado sin motores (MC) Soporte brazo cirujano Marinho [14] 2020 SmartArm Consola cirujano (TM) 2 brazos robóticos. Herramientas y/o endoscopio Abreviaciones: MC, modo cooperativo; TM, telemanipulación. Tabla 2.2: Tabla resumen de los prototipos de sistemas robóticos para acceso endonasal Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 19 Capítulo 2. Estado del arte Figura 2.11: Endoscope Robot en una sala de operaciones de la Universidad de Brescia. (A) Brazo robótico. (B) Pedal. (C) Soporte del endoscopio anclado a la camilla. El cirujano comprueba su posicionamiento. (D) Vista general del sistema [10] NeuroEndoTrainer [61] (simulador de la cavidad nasal y base del cráneo de código abierto), utilizando el sistema robótico y sin utilizarlo, para poder comparar los resultados. La primera tarea consistió en una maniobra de agarre, introduciendo el endoscopio por un orificio, y la herramienta de agarre por el otro. La segunda tarea consistió en el posicionamiento de un injerto, para ello, en la fase robótica podían utilizar las dos manos, guiando el endoscopio con el pedal, mientras que en la fase no robótica únicamente podían dedicar una mano a la manipulación del injerto, controlando la otra el endoscopio. El análisis de los resultados mostraron que la utilización del sistema Endoscope Robot en la primera tarea no supuso una ventaja, sino más bien una carga adicional. En cambio, en la tarea segunda permitía liberar una de las manos para poder utilizar una segunda herramienta, mejorando el tiempo de intervención, así como su percepción del estrés y exigencia de la tarea. Aunque se trate de un estudio preliminar, y sea necesario la realización de más pruebas, muestra que la mayoría de los cirujanos creen que la aplicación de la robótica podría ser beneficioso en la cirugía endoscópica en la base del cráneo, dando solución a las limitaciones actuales de maniobrabilidad del endoscopio [10]. 20 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 2. Estado del arte 2.1.5. Conclusiones En la actualidad existen un gran número de desarrollos activos en fase de prototipado. La mayor parte de ellos se centran únicamente en la función de portar y guiar el endoscopio, desarrollando sistemas de telemanipulación lo más intuitivos y menos intrusivos posible. También existen otros desarrollos que incorporan diversos elementos, como el aspirador y la cureta, en busca de un sistema robótico más completo. Únicamente el sistema Endoscope Robot se encuentra en fase de pruebas clínicas a la espera de analizar los resultados. Se concluye que el campo de la cirugía endonasal robótica no se encuentra en un estado de madurez tan avanzado como por ejemplo la laparoscopía, pero que progresivamente va cobrando más importancia. Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 21 Capítulo 2. Estado del arte 2.2. Sistemas de control 2.2.1. Métodos de control de compliance En un aplicación industrial convencional, los robots ejecutan tareas repetitivas de forma precisa, en las cuales el entorno está estrictamente bajo control. En estos escenarios, el control por posición es la mejor solución, siempre y cuando apenas haya contacto con el entorno. En cambio, entornos no estructurados, como el que se plantea en una intervención quirúrgica, donde el conocimiento del entorno es impreciso, restringido o cambiante, se requiere algún tipo de control de fuerza para que el robot logre su objetivo de manera segura. Uno de los características necesarias para un robot robusto es su capacidad de adaptar las fuerzas de interacción cuando manipula un objeto o contacta con una superficie. Este problema es conocido como compliance control (podría traducirse al español como control de conformidad o de cumplimiento, aunque ninguna de las traducciones se ha encontrado en la literatura, por lo tanto se designará como control de compliance) y trata de garantizar que el robot se adapte a las fuerzas de interacción en lugar de resistirse a ellas. En la Figura 2.12 se muestra una visión general de los métodos clásicos de control de compliance. MÉTODOS DE CONTROL DE COMPLIANCE Pasivo Actuadores de conformidad Neumáticos Elásticos Elementos externos RCC Activo Indirecto Control de impedancia Control de admitancia Directo Control fuerza posición híbrido Control fuerza posición paralelo Abreviaciones: RCC :Remote Center of Compliance, en español, Centro Remoto de compliance Figura 2.12: Métodos de control de compliance. Adaptación de [11] Pueden dividirse en métodos pasivos o activos: Métodos pasivos: incorporan elementos físicos situados entre el robot y el entorno, 22 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 2. Estado del arte encargados de controlar y limitar las fuerzas. En la Figura 2.13 se muestra un ejemplo de dispositivo RCC diseñado para corregir errores de alineación en aplicaciones de ensamblaje automatizadas Métodos activos: utilizan técnicas de control de realimentación para controlar la fuerza y el movimiento al entrar en contacto con el entorno Figura 2.13: Dispositivo RCC del fabricante ATI Industrial Automation [12] Los métodos activos pueden abordar un rango más amplio de aplicaciones, y su adaptación a diferentes escenarios es más simple y rápida, pese a que su diseño inicial es más complejo. Aunque los métodos activos son ampliamente utilizados en investigación, los entornos industriales suelen optar por métodos pasivos. Pese a su falta de flexibilidad, suelen ofrecer un control más preciso, además, se tiene gran control sobre el entorno para poder adaptarlo a posibles cambios. El mejor actuador para llevar a cabo un control de fuerza sería una fuente de fuerza ideal, es decir, un actuador que ejerciera exactamente la fuerza comandada independientemente de la carga. Los actuadores reales, naturalmente, no cumplen esta característica. El movimiento de un carga generará fuerzas adicionales en la salida del actuador, llamado impedancia del actuador. Cuanto mayor sea la frecuencia de movimiento de la carga, mayor será esa impedancia. Otro factor importante es el ancho de banda, que especifica la frecuencia máxima hasta la que se pueden medir fuerzas de forma precisa. Un actuador ideal tendría una impedancia nula y un ancho de banda infinito. Por lo tanto existen dos opciones: Utilizar un actuador lo más parecido posible a uno ideal, con baja impedancia y alto ancho de banda Utilizar un método de control activo, que permita controlar un motor eléctrico (siendo de por si una mala fuente de fuerza) de forma que se comporte como un actuador de baja impedancia En la aplicación que cubre en este TFM se utilizará un método de control activo, debido al bajo o nulo control sobre el entorno y la alta flexibilidad que proporciona. Por ello, a continuación se detallan los diferentes métodos de control activos. Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 23 Capítulo 2. Estado del arte Los métodos de control activos utilizan las medidas de fuerza y posición del robot como realimentación del lazo de control para generar una salida que garantice el comportamiento deseado. La manera en la que los errores de posicionamiento o de fuerza son tratados permiten dividir los métodos de control activo en directos o indirectos: Métodos de control directos: el sistema controla directamente la fuerza de contacto en base a una consigna. Por ejemplo, en un sistema de control fuerza-posición híbrido, el usuario define qué direcciones son controladas en posición, y cuáles en fuerza Métodos de control indirectos: el sistema controla la fuerza indirectamente a través del posicionamiento. Por ejemplo, en un control de impedancia, el usuario define una relación dinámica entre la fuerza y el movimiento La implementación práctica de ambos métodos es similar, aunque su principio de funcionamiento es diferente. Los métodos de control activos también se pueden clasificar en función de su comportamiento dinámico o estático: Métodos de control basados en un modelo dinámico: son aquellos en los que la respuesta dinámica del sistema tiene importancia. Para ello, es necesario un modelo dinámico completo del robot, por lo que es complejo tanto de diseñar como de implementar Métodos de control basados en un modelo estático: la respuesta dinámica del sistema no tiene tanta importancia como su valor estacionario. Estos métodos son más sencillos de implementar, y no requieren la descripción del modelo dinámico del robot 2.2.1.1. Métodos de control activos directos Control fuerza-posición híbrido Este método trata el contacto como un problema geométrico, en el que hay un conjunto de restricciones geométricas que se deben tener en cuenta. Se definen algunos grados de libertad como controlados por fuerza, mientras que el resto serán controlados por posición. Este enfoque se basa en el hecho de que la mayoría de las tareas pueden dividirse en dos subespacios independientes, uno en el que se controlan las fuerzas de contacto y otro que controla el movimiento del robot, de forma que el control de fuerza y posición es independiente. Por ejemplo, en una aplicación industrial de lijado se debería controlar en fuerza la dirección perpendicular a la superficie a lijar, y en posición las direcciones paralelas a dicha superficie. La Figura 2.14 muestra un esquema de control del sistema, en el cual: 24 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 2. Estado del arte La posición y orientación del efector final se denota por X La fuerza fy el momento men las tres dimensiones ejercido por el efector final, se designan conjuntamente por h. Los torques comandados se designan por τ El subíndice dindica que se trata de una referencia, tanto de posición como de fuerza (a) h Position Control Force Control T X Robot Environment h Control fuerza Control posición Robot Entorno Figura 2.14: Esquema de control fuerza-posición híbrido. Traducción de [11] Control fuerza-posición paralelo La diferencia entre el control fuerza-posición híbrido y paralelo, es que éste último no utiliza diferentes subespacios de control para la fuerza y la posición, sino que combina y pondera las contribuciones de cada controlador en uno único. En este caso, el controlador da prioridad a errores de fuerza, dominando la respuesta del controlador. Por lo tanto, se tolera un error de posicionamiento para asegurar un seguimiento correcto de la fuerza. En la Figura 2.15 se muestra un esquema de control. 2.2.1.2. Métodos de control activos indirectos Dentro de los métodos de control indirectos se diferencia entre control de impedancia y control de admitancia, aunque a veces se utiliza el término control de impedancia para referirse a cualquiera de ellos indistintamente. Ambos persiguen el mismo objetivo: modificar la impedancia del robot, pero desde diferentes perspectivas. El control de impedancia tiene como entrada la posición y como salida la fuerza, en cambio, el control de admitancia tiene como entrada la fuerza y como salida la posición. Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 25 Capítulo 2. Estado del arte diferentes, y que podrían ser aplicables a cualquier otro campo que requiera un control basado en fuerza. Control fuerza-posición en laparoscopia [15] Se lleva a cabo el diseño e implementación de un sistema robótico de visión para SinglePort Laparoscopy5compuesto por una cámara miniaturizada guiada magnéticamente mediante un brazo robótico a lo largo de la pared abdominal. En la Figura 2.21 se muestra un esquema conceptual. Figura 2.21: Esquema conceptual [15] Para mover el brazo robótico sobre la pared abdominal se utiliza un sistema híbrido fuerza-posición en el cual la superficie de contacto se ha asemejado a un modelo elástico. En la Figura 2.22 se muestra el esquema de control. Figura 2.22: Esquema de control híbrido posición-fuerza [15] 5Single-Port Laparoscopy (Laparoscopía de puerto único) es una técnica MIS reciente en la cual el procedimiento se lleva a cabo a través de un único punto de entrada, que suele ser ombligo. 32 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 2. Estado del arte La primera del sistema es el planificador de tareas que fija la referencia de posición y fuerza; la fuerza es controlada en la dirección normal a la pared abdominal y la posición en las direcciones tangenciales. Ambas acciones son desacopladas a través de las matrices DyI-D para evitar problemas de interferencias entre el controlador de fuerza y posición. La salida de ambos controladores es combinada y conformará la consigna de posición. La segunda entrada del sistema es la consigna de par, que con el sistema de compensación de par garantiza la perpendicularidad entre la dirección longitudinal del robot y la pared abdominal. La salida del controlador de orientación fija la consigna de orientación, y ambas con enviadas al controlador del robot. El efector final del robot tiene acoplado un sensor de fuerza-par que permite cerrar el lazo de control junto con los valores de posición y orientación del robot. El controlador de posición consiste en un controlador PI y el controlador de fuerza asume una interacción elástica entre el robot y el entorno, relacionada a través de una constante de rigidez del entorno. Control fuerza en lijado de aspas para uso aeronáutico [16] El lijado con asistencia robótica ha surgido como un proceso de acabado en los últimos años para mecanizar componentes con altos requisitos de acabado superficial y flexibilidad. Sin embargo, la consistencia del mecanizado de la superficie es difícil de garantizar en un proceso de este tipo. Por ello, se propone aplicar un método de control híbrido de fuerzaposición combinado con un control PI/PD que se muestra en la Figura 2.23. Figura 2.23: Esquema de control para lijado de aspas [16] Existen bastantes similitudes entre este esquema de control y el mostrado en la Figura 2.22. Esto es debido a que aunque se trate de aplicaciones diferentes, ambos desean controlar la fuerza en la dirección normal a la superficie y la posición en la direcciones tangenciales. Aún así, existen diferencias. El controlador de posición es un PI en vez de un PD, y la controlado de fuerza, en vez de establecer una relación elástica, utiliza un controlador PI. Debido al mayor peso del sistema, y a las diferencias en las lecturas de fuerza según la orientación del robot, se lleva a cabo una compensación gravitatoria. Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 33 Capítulo 3 Descripción hardware ysoftware Este tercer capítulo hace de puente entre el estado del arte y el desarrollo de los sistemas de control de capítulos posteriores, creando una visión general del flujo de trabajo y del entorno en el que se encuentra el robot. Se van a presentar las herramientas que se han utilizado para el desarrollo del trabajo a nivel de software y hardware. Esto incluye tanto soluciones comerciales como elementos de diseño y fabricación propia. 3.1. Hardware Comenzamos por la descripción del hardware utilizado, ya que será el que condicione en cierta medida el software a utilizar. Los elementos principales de hardware son el brazo robótico, la pinza, el sensor de fuerza, el intercambiador de herramientas, los dispositivos médicos, el cráneo y el portaherramientas al que estará anclado el endoscopio. 3.1.1. Brazo robótico El brazo robótico utilizado es un robot colaborativo modelo UR3 del fabricante Universal Robots (Figura 3.1) . Sus especificaciones técnicas completas se presentan en el Anexo A aunque a continuación se resumen las más importantes [17]. Carga máxima 3 kg Alcance 500 mm Rango de giro de las juntas ±360°(rotación infinita en la última junta) Velocidad lineal de la herramienta máxima de 1000 mm/s Repetibilidad ±0.1 mm 35 Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware Figura 3.1: Brazo robótico UR3 [17] Funcionamiento colaborativo Lazo de control a 125 Hz Sus características técnicas resultan muy adecuadas para la aplicación que nos concierne. La carga máxima es más que suficiente, ya que las herramientas quirúrgicas son ligeras; el alcance pese a no ser muy grande, es suficiente, dando el pequeño espacio de trabajo en el que se moverá; el rango de giro de las juntas es muy elevado y aportará mucha flexibilidad a la hora de posicionar el robot en la mesa de operaciones; la velocidad lineal de la herramienta no es relevante, ya que los movimientos que se realizarán serán a muy baja velocidad; la repetibilidad tiene gran importancia para garantizar la seguridad del procedimiento, y tiene un valor suficiente; el funcionamiento colaborativo aporta un nivel de seguridad adicional, además de facilitar la interacción entre el personal sanitario y el robot; por último, el lazo de control interno funciona a 125 Hz, lo cual limitará la frecuencia máxima del sistema de control a desarrollar. En cambio, su capacidad colaborativa no es suficiente para el desarrollo de un sistema de control basado en la fuerza. La caja de control del robot obtiene internamente la fuerza ejercida a partir de la corriente suministrada a los motores, teniendo en cuenta la posición y masa de la carga que está moviendo, así como la configuración de ejes del propio robot. Eso implica que la sensibilidad en la medida de la fuerza, en el mejor de los casos, ronda los 5 N[66]. Un sensibilidad de 5 Nes claramente insuficiente para esta aplicación, por lo que será necesaria la utilización de un sensor de fuerza externo. Para aumentar el alcance del robot, sobretodo a la hora de manipular instrumentos con una longitud considerable (como el endoscopio y otros dispositivos médicos), se ha utili36 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware zado un calzo entre la mesa y la base del robot que lo eleva 304 mm. 3.1.2. Pinza Figura 3.2: Pinza 2F-85 de Robotiq [18] Durante las primeras etapas de desarrollo se utilizó la pinza 2F-85 del fabricante Robotiq [18] (Figura 3.2), ya que era una forma muy ágil y sencilla de coger diferentes herramientas. Más adelante, se descartó su uso por el volumen que ocupaba, las dificultades que tenía el robot para alcanzar ciertas zonas debido a la longitud adicional de la pinza y principalmente porque el desarrollo del intercambiador de herramientas eliminaba la necesidad de utilizarla. Además, esta tiene un peso de 900 g, al que habría que añadir el dispositivo médico que está portando y su soporte. Uno de los objetivos es limitar el peso al mínimo, mejorando el funcionamiento del sistema, ya que cuanto menor sea la carga del robot, mejor será la precisión. 3.1.3. Sensor de fuerza El sensor de fuerza utilizado es el modelo HEX-E del fabricante OnRobot (Figura 3.3). Este modelo es compatible con el robot UR3, anclándolo directamente a su efector final. Las características completas, así como sus dimensiones, se disponen en el Anexo B, aunque a continuación se muestran sus características más relevantes [24]. Sensor de 6 ejes, es decir, mide tanto la fuerza como el momento en los ejes XYZ Tiene una capacidad nominal de 200 Ny 10 Nm Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 37 Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware Figura 3.3: Sensor de fuerza HEX-E del fabricante OnRobot [19] Frecuencia de muestreo máxima 500 Hz. La resolución libre de ruido se resume en la Tabla 3.1. Fxy Fz Txy Tz 0.2 N0.8 N0.01 Nm 0.002 Nm Tabla 3.1: Resolución libre de ruido del sensor de fuerza HEX-E en función del eje de aplicación [24] La resolución en la medida de fuerza es muy superior a la ofrecida por el brazo robótico y permitirá el desarrollo de un sistema de control preciso. En cambio, hay que tener en cuenta que la resolución en los ejes X e Y es diferente al eje Z, lo cual tendrá unos resultados negativos en su desempeño y habrá que sintonizar el controlador de forma que compense este desequilibrio. El módulo DAQ (Data Acquisition, en español, adquisición de datos) se puede conectar a la caja de control del robot directamente o a un ordenador externo vía Ethernet o USB. 3.1.4. Intercambiador de herramientas En el proyecto Craneeal se propone un sistema de intercambio de herramientas automático sin necesidad de intervención humana. Se realizó un estudio de mercado de los sistemas comerciales que permitieran llevar a cabo dicho intercambio, encontrando 3 tipos de productos: Accionados neumáticamente: el modelo QC-5 de ATI Industrial Automation [67] soporta una carga de 8.2 kg. La principal desventaja es que depende de un suministro constante de aire comprimido, lo cual añade complejidad al sistema global y obliga al quirófano a tener una instalación de aire comprimido 38 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware Accionados manualmente: el modelo MC-10 de ATI Industrial Automation [68] es un cambiador de herramientas manual que soporta hasta 10 kg. Aunque es una opción muy válida, no cumple con el objetivo de permitir un intercambio de herramientas sin intervención humana Accionados mecánicamente: el modelo Tool Changer de Smartshift Robotics [20] es un sistema puramente mecánico, sin alimentación eléctrica o neumática y soporta hasta 25 kg, lo cual lo hace una opción muy buena (Figura 3.4) Figura 3.4: Sistema Tool Changer de Smartshift Robotics [20] Como el proyecto Craneeal se encuentra en una etapa de desarrollo muy temprana, se decidió desarrollar un sistema basado en dicho modelo para verificar el funcionamiento del intercambiador de herramientas en el sistema global. Víctor Moreno San Juan (colaborador del Instituto de Tecnologías Avanzadas de la Producción de la UVa) llevó a cabo dicho desarrollo y se fabricó un prototipo del intercambiador de herramientas con una impresora 3D utilizando material PLA. En la Figura 3.5 se muestran los modelos 3D del intercambiador fabricado. Se trata de un anclaje puramente mecánico, en la que el macho gira 90°sobre la hembra y finaliza el anclaje. Las rampas en la pieza macho ayudan a hacer el anclaje más fuerte. Con ayuda del sensor de fuerza se puede garantizar un par de apriete para una operación segura y consistente a lo largo de los ciclos de uso. El macho se encuentra fijado al efector final del robot y las hembras se encuentran en la estación de intercambio. Cabe mencionar que las piezas hembra tienen los mismos puntos de anclaje que el robot original (4 roscas M6x8, según los planos facilitados en el Anexo A.2) para facilitar la compatibilidad con desarrollos anteriores que se anclaran directamente al extremo del robot. La dimensiones del módulo macho son aproximadamente un diámetro de 65 mm y una altura de 10 mm, y las dimensiones del módulo hembra tiene un mismo diámetro de 65 mm y una altura de 20 mm. Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 39 Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware (a) Hembra (b) Macho (c) Estación de intercambio Figura 3.5: Intercambiador de herramientas desarrollado en ITAP 3.1.5. Dispositivos médicos A continuación se describen los dispositivos médicos utilizados. A pesar de no disponer de la totalidad del material, todos los desarrollos se han realizado pensando en la compatibilidad con los mismos. La selección de material se ha basado en un informe [21] facilitado por Karl Storz en la que realizan una recomendación de instrumental para EETS. Endoscopio Se ha utilizado un endoscopio con óptica HOPKINS modelo 28132 BA de Karl Storz, con una dirección visual de 30°, un diámetro exterior de 4 mm y una longitud de 18 cm (Figura 3.6). Figura 3.6: Óptica HOPKINS modelo 28132 BA de Karl Storz Aspirador Se ha optado por el modelo 649179 B de Karl Storz con tubo flexible, punta cónica, longitud de 18 cm y diámetro exterior de 1.35 mm (Figura 3.7) 40 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware Figura 3.7: Aspirador 649179 B de Karl Storz [21] Electrodo de coagulación Se trata de una electrodo de coagulación con extremo esférico, modelo 28164 ED de Karl Storz con un diámetro de 2 mm y una longitud total de 13 cm (Figura 3.8). Figura 3.8: Electrodo de coagulación 28164 ED de Karl Storz [21] Taladro En intervenciones EETS es importante la utilización de taladros diseñados específicamente para esa zona, ya que deben funcionar a altas revoluciones y tener un tamaño reducido. El modelo de taladro elegido ha sido el 252682 de Karl Storz, tiene una velocidad de giro de 100000 rpm, una longitud útil de 93 mm, un diámetro exterior de 7.5 mm y admite fresas con un diámetro de eje de 3.17 mm (Figura 3.9). Figura 3.9: Taladro 252682 de Karl Storz [21] Cureta Se ha seleccionado una cureta modelo 28164 KB de Karl Storz con forma de cuchara, el extremo en ángulo, un tamaño de 2 mm, mango redondo y longitud de 25 cm (Figura 3.10). Figura 3.10: Cureta 28164 KB de Karl Storz [21] Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 41 Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware X Y Z /ee /wrist_3 /wrist_2 /wrist_1 /forearm /upper_arm /shoulder /world (a) Sin vista del robot X Y Z (b) Con vista del robot Figura 3.17: Sistemas de referencia del robot UR3 ejemplo, únicamente la muñeca o las tres últimas articulaciones), posiciones predeterminadas, efectores finales (por ejemplo, una pinza, un taladro, un endoscopio...) y sensores de percepción (si los hubiera). El modelo cinemático del robot se define a través de un fichero URDF (Universal Robot Description Format), que especifica articulaciones, dimensiones, geometría, peso, velocidades, aceleraciones, límites, etc. También existe un fichero SRDF (Semantic Robot Description Format) que es un complemento del fichero URDF donde se especifican grupos de articulaciones, transformaciones e información adicional sobre colisiones, entre otros. Ambos ficheros siguen un formato XML. Existen dos paquetes que ofrecen tanto un driver de comunicación como un paquete de configuración MoveIt alojados en la plataforma Github y de código abierto. universal_robot [74]: contiene el paquete de configuración MoveIt, descripción URDF ySRDF del robot, paquete para cálculos de cinemática inversa y directa, definición de mensajes para intercambio con la caja de control del robot, driver básico, paquete de configuración para el software de simulación Gazebo y modelo 3D para visualización y cálculo de colisiones 48 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware ur_modern_driver [75]: es la evolución del driver básico presente en el paquete universal_robot, que soluciona problemas de estabilidad y añade nueva funcionalidad. A fecha de redacción de este TFM acaba de lanzarse una nueva revisión del mismo, llamado ur_robot_driver [76] mejorando estabilidad y funcionalidad, además de haberse realizado en colaboración con Universal Robots, con lo que es esperable un mejor desempeño en términos generales. En la Figura 3.18 se muestra una comparación entre el modelo de simulación y el entorno real. Se han incorporados elementos como la mesa, el calzo y la pinza. (a) Modelo de simulación (b) Entorno real Figura 3.18: Comparación entre el modelo de simulación y el entorno real 3.2.3. URScript El robot UR3 puede controlarse de forma nativa a dos niveles: Utilizando la pantalla PolyScope y las herramientas disponibles en el interfaz de usuario A nivel de script El lenguaje de programación desarrollado por Universal Robots se llama URScript [77], que incluye variables, definiciones, comandos de control de flujo y funciones que controlan y monitorean los movimientos del robot, así como sus puertos de entrada/salida. Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 49 Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware Al controlador de bajo nivel se le llama URControl y se ejecuta como un servicio al que puede acceder tanto la interfaz de usuario como un cliente a través de una conexión TCP/IP. La programación a nivel de script consiste en la ejecución de código en ordenador que actúa como cliente y se comunica con el controlador a través de sockets. La comunicación con el controlador de bajo nivel se realiza a través del driver descrito en el apartado anterior, y será la forma más directa y rápida de comunicarse con el robot. Es la fuente de información principal: posiciones angulares de los ejes, estado del robot, temperaturas, fuerzas, etc. 3.2.4. Rviz yURSim A continuación se presentan dos herramientas que han sido de gran utilidad para el desarrollo de software y realización de pruebas: Rviz yURSim. Rviz [78] es el visualizador 3D nativo de ROS. Permite cargar el modelo tridimensional del robot y ver los movimientos del mismo en tiempo real, visualizar los sistemas de referencia y las relaciones entre ellos, muestra valores angulares de ejes, así como la posición y orientación respecto al sistema de referencia que se elija. MoveIt cuenta con un plugin para Rviz que ofrece una funcionalidad básica (Figura 3.19). Figura 3.19: Plugin de MoveIt para Rviz En general, es una herramienta que muestra información útil de una forma muy ordenada y fácil de acceder. En cambio, no se puede confundir con un simulador, ya que únicamente muestra la información que se le suministra sin hacer ningún tipo de cálculo. A partir del paquete de configuración MoveIt se puede ejecutar un controlador que simula en cierta medida el comportamiento del robot, pero se trata de un controlador genérico que no tiene en cuenta inercias, singularidades, y sobretodo, no es el mismo controlador que estará ejecutándose en el robot real, por lo que los resultados no son 100 % comparables. 50 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 3. Descripción hardware ysoftware Sin embargo, es de gran utilidad para verificar ciertas acciones antes de ejecutarlo sobre el robot real, ya que se pueden detectar otros problemas en la programación. El software de simulación Gazebo es muy utilizado en entornos ROS, y de hecho el paquete universal_robot cuenta con la configuración para poderlo ejecutarlo. Aunque sea un simulador real, sigue teniendo la limitación de que no es exactamente el mismo controlador. Por esta razón, para realizar simulaciones se ha utilizado URSim. URSim [79] es proporcionado directamente por Universal Robots y realmente se trata del propio sistema operativo del robot. Como la caja de control está basada en una distribución Linux, puede instalarse directamente en una distribución Linux, o la opción elegida, instalarlo en una máquina virtual independiente. Una vez instalado, únicamente hay que conectarse a la misma como si se tratara del robot real, a través del driver y especificando la dirección IP. Las ventajas de utilizar URSim frente a otro simulador, es que la respuesta siempre será la más cercana a la realidad. Además, es posible descargarse la misma versión de firmware (en el caso del robot utilizado, ésta es la 3.5.4) que se tenga instalada en el robot real, para que la simulación sea lo más realista posible. Como desventaja se puede destacar que la interfaz de usuario es pobre en relación a otros simuladores, pero se puede subsanar ejecutando RViz para la visualización de movimientos u otra información que se considere relevante. En la Figura 3.20 se muestran dos capturas de la máquina virtual. (a) Pantalla principal (b) Pantalla de movimiento Figura 3.20: Capturas del simulador URSim ejecutándose en una máquina virtual Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 51 Capítulo 4 Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal El capítulo cuarto cubre la descripción e implementación de los sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal. Comenzará con una descripción del escenario de trabajo completo y presentación de los sistemas de referencia utilizados. A continuación se describirán los dos sistemas de control desarrollados: el primero de ellos está basado en MoveIt y será utilizado para movimientos grandes sin realimentación de fuerza y el segundo estará basado en URScript y sí contara con realimentación de fuerza. 4.1. Introducción 4.1.1. Descripción escenario completo Antes de comenzar la descripción de los sistemas de control se va a dar una visión global del escenario de trabajo y los sistemas de referencia principales. En la Figura 4.1 se presenta el escenario completo. El robot está realizando una maniobra de aproximación a la zona de intervención, alzado sobre la mesa gracias a la plataforma elevadora. El cráneo se encuentra anclado al soporte de manera sólida, y éste a los perfiles de aluminio fijados a la mesa. Se utiliza la segunda revisión del portaherramientas, que en este caso porta un prototipo impreso en 3D de la óptica y el endoscopio. Siguiendo el procedimiento quirúrgico, el endoscopio accedería por el orificio nasal izquierdo, razón por la cual el escenario se encuentra posicionado de tal manera. Finalmente, la estación de intercambio de herramientas se encuentra en la parte posterior. Se pueden diferenciar 6 sistemas de referencia: /root: tiene su origen en el punto anclaje entre la mesa y la plataforma elevadora del robot 53 Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal X Y Z /root /world /ee /tcp /common /tool Figura 4.1: Escenario completo con sistemas de referencia /world: es el sistema de referencia de la base del robot, siendo uno de los sistemas de referencia principales al que estarán referenciados muchos otros, por ejemplo, /root comparte orientación con /world /ee: es el sistema de referencia del efector final del brazo robótico, coincidente con la brida de salida de la herramienta /tcp: coincidirá con el extremo distal de la herramienta que se esté utilizando en un determinado momento, en este caso el endoscopio. Tiene la misma orientación que /ee /common: se encuentra en una muesca del modelo tridimensional de cráneo. Será el sistema de referencia común en el escenario conjunto del proyecto Craneeal cuando se utilicen dos brazos robóticos /tool: sistema de referencia que coincide con el punto de anclaje de la primera estación del intercambiador de herramientas 4.1.2. Sistemas de control La utilización de sistemas robóticos en entornos quirúrgicos requiere la adaptación de la estrategia de control a la intervención a realizar. En el caso que nos concierne, la extirpación de tumores en la base del cráneo, las diferentes etapas de la intervención requerirán un comportamiento del robot diferente. Por ejemplo, durante las fases de taladrado se debe tener un control de la fuerza que se está realizando, cuando se mueva por zonas 54 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal cercanas a la arteria carótida o el nervio óptico deberá evitarse o minimizar el contacto, cuando se retire la duramadre los movimientos deberán ser muy precisos y delicados, durante la extirpación del tumor se deberá permitir realizar más fuerza aunque por debajo de un umbral, etc. Además de la estrategia de control en la zona de operación, también se deberán desarrollar estrategias mientras no haya herramientas dentro del paciente, es decir, intercambio de herramientas, maniobras de aproximación, etc. A lo largo de este cuarto capítulo se describirán las 2 estrategias de control implementadas y el trabajo desarrollado en torno a ellas: 1. Sistema de control sin realimentación de fuerza: movimientos libres, grandes o pequeños, basado en la biblioteca de movimiento de MoveIt 2. Sistema de control con realimentación de fuerza: sistema de posicionamiento para movimientos dentro del entorno quirúrgico que minimice los contactos y se oponga a ellos. Utiliza la biblioteca de movimiento URScript y el sensor de fuerza 4.2. Sistema de control sin realimentación de fuerza El objetivo de este sistema de control es dotar al robot de una funcionalidad básica controlada a través del entorno ROS, implementando los comandos de movimiento que se encuentran tradicionalmente disponibles en los entornos de programación de brazos robóticos (movimientos en coordenadas articulares o cartesianas, movimientos lineales u optimizados, cambios de sistemas de referencia, control de velocidad y aceleración, etc.). También se desea aprovechar el potencial del entorno MoveIt para incorporar en la planificación de trayectorias la habilidad de evitar obstáculos, como pueden ser la mesa, la plataforma elevadora, el paciente y el propio robot. 4.2.1. Biblioteca de movimientos La biblioteca de movimiento de MoveIt desarrollada consiste en una clase programada en C++ que engloba todas la funciones y variables necesarias para su correcto funcionamiento, de forma que su mantenimiento y futuras ampliaciones sean sencillas. ROS ofrece un número de variables o estructuras que facilitan el intercambio de información, como geometry_msgs::Pose, que sirve para representar una pose, es decir, una posición y orientación. Se trata de una estructura que tiene las siguientes subdivisiones: Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 55 Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal geometry_msgs::Pose pose geometry_msgs::Point position float64 x float64 y float64 z geometry_msgs::Quaternion orientation float64 x float64 y float64 z float64 w La variable del tipo float64 es otra convención de ROS para designar una variable de punto flotante con doble precisión double. Como se observa, la nomenclatura utilizada para designar una orientación en ROS es el cuaternio. El paquete tf2 ofrece funciones que permiten realizar conversiones entre ángulos de Euler y cuaternios. Las funciones pueden agruparse en los siguientes grupos: movimiento, transformaciones, información y otras. La descripción de todas las funciones y explicación de los detalles de implementación se escapan del alcance de este TFM, por lo tanto, únicamente se describirán aquellas funciones más importantes sin hacer hincapié en su implementación. Funciones de movimiento goto_joints(float64{ϑ1, ϑ2, ϑ3, ϑ4, ϑ5, ϑ6}): mueve el robot a una configuración de ejes recibida como argumento, en forma de vector. Cada valor ϑcorresponde a un grado de libertad del robot. Las unidades esperadas son radianes goto_position(geometry_msgs::Point position): mueve el TCP del robot a unas coordenadas XYZ recibidas como argumento sin restricciones de orientación, es decir, el robot puede tomar cualquier orientación, llevando a cabo una trayectoria óptima. Las unidades esperadas son metros, y estarán referidas al sistema de referencia de la base del robot, /world goto_position_straight(geometry_msgs::Point position): mueve el TCP del robot a unas coordenadas XYZ recibidas como argumento sin restricciones de orientación llevando a cabo una trayectoria en línea recta. Las unidades esperadas son metros, y estarán referidas al sistema de referencia de la base del robot, /world goto_pose(geometry_msgs::Pose pose): mueve el TCP del robot a una posición y orientación recibidas como argumento siguiendo una trayectoria óptima. Las unidades esperadas son metros y radianes, y estarán referidas al sistema de referencia de la base del robot, /world goto_pose_straight(geometry_msgs::Pose pose): mueve el TCP del robot a una posición y orientación recibidas como argumento siguiendo una trayectoria recta. Las 56 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal unidades esperadas son metros y radianes, y estarán referidas al sistema de referencia de la base del robot, /world offset(geometry_msgs::Pose pose): devuelve la posición y orientación del TCP del robot desplazado una posición y orientación recibidas como parámetro respecto al sistema de referencia /world offset_tcp(geometry_msgs::Pose pose): devuelve la posición y orientación del TCP del robot desplazado una posición y orientación recibidas como parámetro respecto al sistema de referencia /tcp, transformado a coordenadas /world para poder enviar la consigna al robot correctamente set_speed_scaler(float64 scaler): fija un factor de escalado de velocidad. En MoveIt no existe la posibilidad de tener un control preciso sobre la velocidad de movimiento, sino que se aplica un factor de escala sobre la velocidad máxima del brazo robótico. Este factor de escalado toma un valor entre 0 y 1 set_acceleration_scaler(float64 scaler): fija un factor de escalado de aceleración. Al igual que con la velocidad, es la única forma de tener control sobre la aceleración. Este factor de escalado toma un valor entre 0 y 1 Funciones para transformaciones from_tcp_to_world(geometry_msgs::Pose pose): convierte una posición y orientación recibido como argumento en coordenadas de /tcp y lo convierte a /world from_world_to_common(geometry_msgs::Pose pose): convierte una posición y orientación recibido como argumento en coordenadas de /world y lo convierte a /common. Esta función únicamente es necesaria cuando se utilizan los dos brazos robóticos frame_tf(string source, string target, geometry_msgs::Pose pose): lleva a cabo una transformación de una pose entre 2 sistemas de referencia arbitrarios forward_kinematics(float64{ϑ1, ϑ2, ϑ3, ϑ4, ϑ5, ϑ6}): lleva a cabo la cinemática directa y devuelve la posición y orientación del TCP respecto al sistema de referencia /world a partir de la configuración de ejes inverse_kinematics(geometry_msgs::Pose pose): lleva a cabo la cinemática inversa y devuelve la configuración de ejes a partir de la posición y orientación del TCP respecto al sistema de referencia /world Funciones de información get_position(): devuelve la posición del TCP respecto al sistema de referencia /world Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 57 Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal KFUERZA {F}EE EETW {PF}EE {SP}W ROBOT {P}W {E}W +- ENTORNO {V}W KRED fLAZO Figura 4.4: Primera versión del esquema de control con realimentación de fuerza EE atiende a end effector y corresponde al sistema de referencia asociado a la brida de salida de la herramienta. Los sistemas de referencia /ee y/tcp tienen la misma orientación, y se asume que el conjunto porta-herramientas y endoscopio es rígido, por lo que las lecturas de fuerza leídas en /ee corresponden a las fuerzas ejercidas en /tcp, es decir, el extremo del endoscopio. Fruto de la interacción entre el robot y el entorno, aparecen unas fuerzas de contacto que se reflejan en la lectura del sensor de fuerza {F}EE. Se realiza una transformación fuerzaposición a partir de la constante KF UERZA, que tendrá unidades de mm/N. Cuanto mayor sea el valor de esta constante, menor será la fuerza necesaria para producir un mismo desplazamiento. Este desplazamiento {PF}EE es convertido a coordenadas en el sistema de referencia /world, constituyendo el setpoint o consigna del controlador, designado por {SP}W. Si se resta el setpoint y la posición actual del robot respecto a /world {P}W, se obtiene el error de posicionamiento del sistema, {E}W. Este error es multiplicado por la constante KRED. El valor de esta constante será menor que la unidad, y su objetivo es minorar el valor de error que posteriormente es convertido a velocidad multiplicando por la frecuencia de muestreo del lazo (125 s−1). Es necesario minorar este valor de error porque, si no, trataría de alcanzar la consigna con mucha velocidad, además de convertir el sistema en inestable. De esta forma, se asegura que la velocidad con la que se alcanza el valor de consigna es menor y con una menor diferencia entre el valor máximo y el mínimo. Finalmente, la velocidad {V}Wes comandada al robot y se cierra el lazo de control. Para la primera prueba se fijó una constante de reducción KRED de valor 0,1, una constante KF UERZA de valor 1 mm/N y una aceleración de 100 mm/s2. También se estableció un umbral de ±0,5 mm, de forma que no hubiera oscilaciones en torno a la posición de equilibrio, debido al ruido de la señal de fuerza. En las gráficas se va a utilizar la nomenclatura {Prel}EE para facilitar la interpretación de las mismas. Indica la posición relativa del TCP respecto a la posición inicial en el sistema de referencia /ee. En la primera prueba se ha aplicado una fuerza de aproximadamente 20 Nde forma progresiva en el eje Y (elegido de forma arbitraria), para posteriormente hacerla desaparecer de forma súbita, posteriormente, se ha aplicado y retirado la misma fuerza de forma progresiva en ambos movimientos. En la Figura 4.5a se pueden observar los resultados, representando en azul 64 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal la fuerza leída por el sensor de fuerza, en rojo la posición relativa del TCP respecto a la posición inicial en coordenadas /ee y finalmente en la Figura 4.5b se representa la velocidad comandada en coordenadas /ee. 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo [s] -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Fuerza [N] -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Posición [mm] {F}EE {Prel}EE (a) Representación de la fuerza frente a la posición 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo [s] -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 Velocidad [mm/s] {V}EE (b) Representación de la velocidad Figura 4.5: Reacciones antes variaciones de fuerza de gran valor Los resultados muestran que si la fuerza cesa de manera repentina, se produce una oscilación cuando el robot vuelve a la posición de equilibro. En cambio, si la fuerza decrementa su valor de forma paulatina, no aparece ese efecto, y el robot sigue la fuerza de forma precisa. Otro efecto que se observa cuando se produce un gran cambio en la fuerza, son unos elevados valores de velocidad al intentar alcanzar la posición de equilibrio. En la siguiente prueba se limitó esta velocidad a ±30 mm/s, tal y como se muestra en la Figura 4.6. 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo [s] -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Fuerza [N] -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Posición [mm] {F}EE {Prel}EE (a) Representación de la fuerza frente a la posición 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo [s] -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 Velocidad [mm/s] {V}EE (b) Representación de la velocidad Figura 4.6: Aplicación de un umbra de velocidad de 30 mm/s Se puede observar que para un mismo cambio en la consigna de 20 N, el sobrepaso tiene una magnitud significativamente menor (de 11.9 mm a 2.3 mm). Naturalmente, se observa un Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 65 Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal retardo a la hora de alcanzar la posición objetivo debido a la limitación en la velocidad, en cambio el tiempo de establecimiento ha mejorado, pasando de aproximadamente 3 segundos a 1 segundo. Estos dos experimentos no tienen mucho valor en términos de un ajuste fino del controlador, ya que se aplica una fuerza de forma manual, y nunca tendrá ni el mismo valor máximo, ni se alcanzará en el mismo instante, pero si que permite obtener las siguientes conclusiones: Un controlador proporcional (la constante KRED) no es suficiente para controlar el sistema, por lo tanto, en las siguientes iteraciones se cambiará el bloque por un controlador PID Saturar la salida de velocidad ha resultado ser efectivo para controlar el sistema cuando la variación en el valor de consigna es muy grande El comportamiento repulsivo es el deseado En la siguiente iteración se ha sustituido el bloque KRED por un controlador PID, además de añadir la posibilidad de fijar una referencia de posición. El esquema se muestra en la Figura 4.7. KFUERZA {F}EE EETW {PF}EE {PF}W++ EETW {Pref}W {Pref}EE {SP}W ROBOT {P}W PID {E}W fLAZO +- ENTORNO {V}W Figura 4.7: Segunda versión del esquema de control con realimentación de fuerza La referencia de posición {Pref }EE es especificada bajo el sistema de referencia /ee, posteriormente es convertido a coordenadas en el sistema de referencia /world,{Pref }W. Esta posición es sumada a la obtenida tras la conversión fuerza-posición, designada por {PF}W,obteniendo la consigna final. Inicialmente, tanto la fuerza como la posición tienen el mismo peso en la consigna final, aunque esto podría ajustarse fácilmente aplicando factores que ponderar la acción de cada una. Una vez obtenido el setpoint, obtenemos el error que constituye la entrada del controlador PID. La sintonización del controlador PID se cubre en el siguiente apartado. 66 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal 4.3.3. Sintonización controlador El método utilizado para la sintonización del controlador ha sido el método de prueba y error. Para ello, se va a someter al sistema a una entrada escalón de 10 mm, después se esperará dos segundos, y se volverá a una consigna de posición nula. El sistema de control únicamente está pensado para realizar pequeños movimientos incrementales, y por lo tanto únicamente se buscará garantizar su estabilidad en saltos en la consigna de valor ±10 mm. El punto de partida es un valor proporcional igual a 0,1 sin acción integral ni derivativa. Se ha decidido reducir el umbral a 0,1 mm, que coincide con el valor de precisión del brazo robótico para que el posicionamiento sea más preciso; la aceleración se ha mantenido en 100 mm/s2y el valor de saturación se incrementado a 60 mm/s para mejorar la capacidad de reacción del sistema. En la Figura 4.8 se muestra la respuesta a la entrada escalón de valor 10 mm. 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo [s] -5 0 5 10 15 Posición [mm] {SP}EE {Prel}EE (a) Representación de la fuerza frente a la posición 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo [s] -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Velocidad [mm/s] {V}EE (b) Representación de la velocidad Parámetros P I D Umbral [mm] Aceleración [mm/s2] Saturación [mm/s] 0,1 0 0 0,1 100 60 Figura 4.8: Respuesta del controlador P antes una entrada escalón En la respuesta obtenida ante la entrada escalón de 10 mm se observan dos oscilaciones antes de alcanzar la posición objetivo. El sobrepaso tiene un valor de 4,7 mm y el tiempo de establecimiento es aproximadamente 1,5 segundos. La velocidad satura a 60 mm/s en la primera oscilación, lo cual contribuye a limitar la amplitud de la segunda. Desde ese punto de partida, se mantuvo el valor proporcional y se aumento la acción integral en incrementos muy pequeños. No se consiguió obtener una respuesta estable cuando se utilizaba el término integral, por muy pequeño que fuera. Una posible explicación es la señal de ruido del sensor de fuerza, ya que independientemente de si ha llegado o no a la posición objetivo, siempre va a haber oscilaciones debido al ruido, y el sumatorio de error Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 67 Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal toma un valor muy alto rápidamente, desestabilizando el sistema. Por esta razón, se utilizará un controlador PD en vez de un PID. En cambio, como el término derivativo es muy sensible al ruido, este no podrá tomar un valor demasiado elevado. Siguiendo con el método de prueba y error, se llegó a una solución que garantiza la estabilidad del sistema sin sobrepico, aunque con un tiempo de establecimiento de aproximadamente 1 segundo. En la aplicación que nos concierne es más importante que no se produzca el sobrepico pese a demorarse más en alcanzar la consigna. En la Figura 4.9 se muestran los resultados. 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo [s] -5 0 5 10 15 Posición [mm] {SP}EE {Prel}EE (a) Representación de la fuerza frente a la posición 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo [s] -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Velocidad [mm/s] {V}EE (b) Representación de la velocidad Parámetros P I D Umbral [mm] Aceleración [mm/s2] Saturación [mm/s] 0,13 0 0,032 0,1 80 200 Figura 4.9: Respuesta del controlador PD antes una entrada escalón El valor proporcional toma un valor de 0,13 y el valor derivativo 0,032. Se han realizado dos cambios adicionales: se ha aumentado la velocidad de saturación hasta 200 mm/s con el objetivo de que el primer tramo de la respuesta sea más rápida, aún así, se ha limitado a 80 mm/s2la aceleración, de forma que los movimientos sean más suaves. Como se aprecia en la Figura 4.9a se elimina por completo el sobrepaso y las oscilaciones. En cambio, la Gráfica 4.9b representa perfectamente uno de los efectos negativos de utilizar el término derivativo, la señal de control es mucho mas ruidosa, y por lo tanto, eso se traslada en pequeñas vibraciones. Un valor derivativo de 0,032 ha sido una solución de compromiso entre el nivel de ruido de la señal de velocidad y la eliminación de la oscilación y limitación del tiempo de establecimiento. Los resultados obtenidos en estos experimentos llevaron a la última iteración a la hora de sintonizar el sistema, que fue añadir una etapa de filtrado de la señal de fuerza. 68 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal 4.3.4. Filtrado señal de fuerza En el diseño de la etapa de filtrado de la señal de fuerza se ha utilizado el software Matlab junto con Simulink para realizar una simulación de la acción de filtrado. Respecto a la señal de entrada, se han buscando representar 3 escenarios: señal sin aplicar ninguna fuerza externa, aplicación de fuerza paulatina y aplicación de fuerza repentina, de esta forma, se obtiene más información de cómo afecta la etapa de filtrado al sistema. Se van a hacer pruebas con los siguientes filtros: Filtro de la media móvil: se trata de un filtro digital muy utilizado en el procesamiento de señales debido a la facilidad de implementación y la baja complejidad computacional. La salida de un filtro de la media móvil es la media de los últimos N valores almacenados en una ventana de tamaño N, fijada por el usuario. Es bastante eficaz a la hora de eliminar ruido de alta frecuencia. También existe el filtro de la mediana móvil que es más inmune a valor atípicos muy alejados del valor real, aunque en este caso no se da ese escenario Filtro paso bajo: es un filtro que deja pasar las componentes de baja frecuencia de una señal, y atenúa las de alta frecuencia. El usuario fija la frecuencia de corte a partir de la cual comienza la atenuación Cuanto menor sea la frecuencia de corte del filtro paso bajo, o cuanto mayor sea el tamaño de la ventana del filtro de la media móvil, mejor será el filtrado, pero mayor será el retraso que inducirá, por lo tanto se va a tener que tomar una solución de compromiso entre el nivel de filtrado y el retraso inducido. Para el filtro paso bajo se muestran los resultados para las siguientes frecuencias de corte: 20 Hz (Figura 4.10), 10 Hz (Figura 4.11), 5 Hz (Figura 4.12) y 3 Hz (Figura 4.13). 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (a) Detalle ruido 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo [s] 0 2 4 6 8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (b) Vista retraso Figura 4.10: Respuesta ante filtro paso bajo con frecuencia de corte 20 Hz Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 69 Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (a) Detalle ruido 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo [s] 0 2 4 6 8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (b) Vista retraso Figura 4.11: Respuesta ante filtro paso bajo con frecuencia de corte 10 Hz 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (a) Detalle ruido 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo [s] 0 2 4 6 8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (b) Vista retraso Figura 4.12: Respuesta ante filtro paso bajo con frecuencia de corte 5 Hz 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (a) Detalle ruido 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo [s] 0 2 4 6 8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (b) Vista retraso Figura 4.13: Respuesta ante filtro paso bajo con frecuencia de corte 3 Hz Los resultados muestran lo que se mencionó anteriormente. El filtrado es más efectivo a medida que disminuye la frecuencia de corte, aunque a costa de aumentar el retraso. Este retraso desplaza hacia la derecha la curva de fuerza, sin que haya un retraso adicional cuando los saltos en la señal de fuerza es de mayor magnitud. 70 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal Se ha cuantificado el retraso en el instante t = 13,24 s, que toma un valor de 0,9 Nen la señal sin filtrar. Se ha elegido ese punto porque es el más crítico en el filtro de la media móvil, y permitirá realizar una comparación más justa entre ambos. En el mismo se produce un salto de 8 Nen un intervalo de tiempo muy pequeño, por lo que se puede considerar como el retraso máximo que puede aparecer. También se ha cuantificado el nivel de ruido a través del valor pico a pico de la señal filtrada en el intervalo de tiempo de 0 a 2 segundos. En la Tabla 4.3 se muestran los resultados. fcorte [Hz]20 10 5 3 tretraso [ms]80 200 400 810 Fpk−pk [N]0,21 0,16 0,11 0,10 Fpk−pk [N]de la señal de fuerza sin filtrar = 0,50 N Tabla 4.3: Nivel de ruido y retraso al utilizar filtro paso bajo A continuación se muestran las gráficas utilizando el filtro de la media móvil con la misma entrada de datos. Se han utilizado tamaños de ventana 16 (Figura 4.14), 32 (Figura 4.15), 64 (Figura 4.16) y 128 (Figura 4.17). 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (a) Detalle ruido 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo [s] 0 2 4 6 8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (b) Vista retraso Figura 4.14: Respuesta ante filtro de la media móvil con tamaño de ventana 16 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (a) Detalle ruido 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo [s] 0 2 4 6 8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (b) Vista retraso Figura 4.15: Respuesta ante filtro de la media móvil con tamaño de ventana 32 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 71 Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (a) Detalle ruido 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo [s] 0 2 4 6 8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (b) Vista retraso Figura 4.16: Respuesta ante filtro de la media móvil con tamaño de ventana 64 0 0.5 1 1.5 2 Tiempo [s] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (a) Detalle ruido 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo [s] 0 2 4 6 8 Fuerza [N] {F} EE {Ffil}EE (b) Vista retraso Figura 4.17: Respuesta ante filtro de la media móvil con tamaño de ventana 128 Encontramos un comportamiento diferente respecto al filtro paso bajo. Mientras que este último desplazaba la curva de fuerza hacia la derecha sin importar la velocidad con la que ésta cambiaba de valor, el filtro de la media móvil sí es sensible a estos cambios de velocidad, sobretodo cuando el tamaño de la ventana de filtrado es alto. Este comportamiento es esperado, ya que al realizar la media de la ventana, cuando se produce un cambio repentino, pasará un tiempo hasta que el valor de la media converja al valor real. En la Tabla 4.4 se cuantifican los niveles de ruido y retraso para poderlo compararlo con el filtro paso bajo. tamventana 16 32 64 128 tretraso [ms]90 200 430 880 Fpk−pk [N]0,16 0,12 0,09 0,07 Fpk−pk [N]de la señal de fuerza sin filtrar = 0,50 N Tabla 4.4: Nivel de ruido y retraso al utilizar filtro de la media movil El retraso es ligeramente superior utilizando el filtro de la media móvil, excepto para un 72 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 4. Sistemas de control para abordaje robótico en el campo endonasal tamaño de ventana de 32, que son iguales. En cambio, el nivel de ruido es inferior en todos los casos. La tendencia muestra que para un mismo nivel del ruido, el filtro de la media móvil tiene un menor retraso. Además, hay que tener en cuenta que se está midiendo el retraso en el punto más desfavorable para éste último filtro, por lo que en una situación de trabajo real, en los que el salto en los valores de fuerza son más pequeño, el retraso sería menor. Por esta razón, por la facilidad de implementación y baja complejidad computacional, se ha decidido utilizar el filtro de la media móvil con un tamaño de ventana de 32. Por lo tanto, añadiendo la etapa de filtrado, la versión final del sistema de control se muestra en la Figura 4.18. KFUERZA {Ffil}EE EETW {PF}EE {PF}W++ EETW {Pref}W {Pref}EE {SP}W ROBOT {P}W PD {E}W fLAZO +- ENTORNO {V}W Filtrado {F}EE Figura 4.18: Versión final del esquema de control con realimentación de fuerza Únicamente se ha añadido la etapa de filtrado antes de hacer la conversión entre la fuerza y la posición. La señal filtrada tiene la nomenclatura {Ffil}EE Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 73 Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza Por último, en la Figura 5.7 se muestra una gráfica en 3D dónde se representa el cilindro por el que accede el endoscopio, la referencia de posición y la posición real del robot a lo largo del experimento. 50 45 40 35 30 25 20 6 15 10 Z [mm] 5 0 4 Escenario 1 6 24 Y [mm] 02 X [mm] 0 -2 -2 -4 -4 -6 -6 Figura 5.7: Representación de la posición en 3D en el escenario 1 80 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza 5.2.2. Escenario 2 La geometría del escenario 2 se muestra en la Figura 5.8. En este caso el contacto principal se realiza en el eje X, en vez de en el eje Y con el primer escenario. La principal diferencia es que el ángulo de contacto es mayor, lo que simularía una mayor desviación, y por lo tanto las fuerzas que aparecen son mayores también. Concretamente, el ángulo que ve el endoscopio es de 6,3°. Para forzar el contacto con la pared, la posición de inicio estará desviada 4,5 mm en la dirección negativa del eje X. X Z Figura 5.8: Sección del escenario 2 Se muestran los resultados en el eje X y Z en la Figura 5.9. En el eje X observamos un comportamiento de escalera tal y como se espera. En este caso, la desviación respecto a la referencia es mayor, ya que las fuerzas que aparecen son mayores. Concretamente se desvía un total de 2 mm aproximadamente. En este caso también cobra importancia la deformación de la varilla del endoscopio y del portaherramientas, que no es completamente rígido. Lo que nos muestran estas gráficas, es que parte de la fuerza está siendo absorbida por los elementos físicos en forma de deformación (concretamente los 2 mm restantes, ya que la posición final debería coincidir con el centro del cilindro que tiene cota cero en X). En el eje Z observamos un comportamiento similar al primer escenario durante los primeros 10 segundos. A partir de ese instante, la fuerza tiene una tendencia negativa como Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 81 Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza 0 5 10 15 20 Tiempo [s] 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Fuerza [N] -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 Posición [mm] Escenario 2 / Eje X {F fil }EE {P rel }EE {P ref }EE 0 5 10 15 20 Tiempo [s] -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 Fuerza [N] -10 0 10 20 30 40 50 Posición [mm] Escenario 2 / Eje Z {F fil }EE {P rel }EE {P ref }EE Figura 5.9: Representación de la fuerza y la posición en el escenario 2 cabría esperar, ya que está sometido a esfuerzos de compresión. También se observa una desviación de la posición respecto a la referencia, lo que indica que hay movimientos de retracción. El valor de esta retracción al final del escenario es de 2 mm aproximadamente. Aun así, no hay que perder de vista la falta de precisión en el eje Z para este escenario en particular. Por último, en la Figura 5.10 se muestra una visión 3D de la reacción al escenario. 82 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza 50 45 40 35 30 25 20 6 15 10 Z [mm] 5 0 4 Escenario 2 6 24 Y [mm] 02 X [mm] 0 -2 -2 -4 -4 -6 -6 Figura 5.10: Representación de la posición en 3D en el escenario 2 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 83 Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza 5.2.3. Escenario 3 La geometría del escenario 3 se muestra en la Figura 5.11. Se plantea un camino sinuoso con rampas cortas en ambos lados del plazo XZ. El camino que seguirá el endoscopio será una diagonal, comienza a 4,5 mm en la dirección negativa del eje X y finaliza a 4,5 mm en la dirección positiva del mismo eje. Hay que tener en cuenta que el algoritmo de fuerza únicamente trabaja con orientación constante, por lo tanto, el endoscopio siempre será paralelo al eje Z que se muestra en la sección. X Z Figura 5.11: Sección del escenario 3 Se muestran los resultados en el eje X y Z en la Figura 5.12. Inicialmente el endoscopio se encuentra con la primera rampa del lado derecho, que hace que el robot se mueva en la dirección positiva del eje X. Como coincide con la dirección de consigna, simplemente mayorará su valor. En la gráfica se observa como aumenta la fuerza en X y gradualmente va descendiendo hasta llegar a 0. En ese instante el endoscopio se encuentra centrado en el cilindro y por lo tanto no está sometida a ninguna perturbación externa. A medida que avanza el escenario, el endoscopio colisionará con las rampas del lado izquierdo. En cambio, no lo hará con su extremo, sino en algún punto en la dirección longitudinal del mismo. Como se observa en la gráfica, las fuerzas son cada vez mayores a medida que la referencia 84 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza 0 5 10 15 20 Tiempo [s] -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 Fuerza [N] -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Posición [mm] Escenario 3 / Eje X {F fil }EE {P rel }EE {P ref }EE 0 5 10 15 20 Tiempo [s] -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Fuerza [N] -10 0 10 20 30 40 50 Posición [mm] Escenario 3 / Eje Z {F fil }EE {P rel }EE {P ref }EE Figura 5.12: Representación de la fuerza y la posición en el escenario 3 se aleja de la posición real del endoscopio. En este caso, el robot genera una reacción en oposición a esa fuerza, que coincide con la dirección negativa del eje X. El hecho de que el endoscopio no haya colisionado frontalmente con las rampas izquierdas, sino con el lateral, se puede corroborar observando la gráfica en Z, en la cual no aparecen apenas esfuerzos durante el transcurso del experimento. Por último, en la Figura 5.13 se muestra una visión 3D de la trayectoria segunda durante la ejecución del escenario. Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 85 Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza 50 45 40 35 30 25 6 20 15 10 Z [mm] 5 0 4 Escenario 3 6 24 Y [mm] 02 X [mm] 0 -2 -2 -4 -4 -6 -6 Figura 5.13: Representación de la posición en 3D en el escenario 3 86 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza 5.2.4. Escenario 4 En los escenarios anteriores se han utilizado rampas para modelar los escenarios. En cambio, este escenario tiene forma de embudo y está modelado los 360°. En este escenario se simula una situación en la que el contacto se va haciendo más grande hasta que llega un punto de colisión total, en la cual no se permite el avance. En la Figura 5.14 se muestra la geometría del escenario. La zona de colisión está a una distancia de 42 mm en la dirección positiva del eje Z. Para forzar el contacto con la pared, la posición de inicio estará desviada 4,5 mm en la dirección negativa del eje X, tal y como se muestra en línea blanca discontinua. X Z Figura 5.14: Sección del escenario 4 En la Figura 5.15 se muestran dos gráficas. En la primera de ellas se muestra la señal sin filtrar de fuerza, y en la segunda la señal filtrada, ambas en el eje Z que es el más relevante para este experimento. Antes de comentar las gráficas, conviene comentar una característica del sistema de control. Por la propia naturaleza del filtrado, los picos de fuerza de la señal filtrada tienen una magnitud significativamente menor, además de inducir retraso. Por motivos de seguridad, en cada iteración se comprueba cual es la fuerza no filtrada en cada uno de los ejes. Si se supera el umbral de ±5N, se activa una parada de protección y el robot se detiene. Volviendo sobre las gráficas, no se observa ninguna reacción hasta que llega a los 42 mm. Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 87 Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza 0 5 10 15 20 Tiempo [s] -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 Fuerza [N] -10 0 10 20 30 40 50 Posición [mm] Escenario 4 / Eje Z {F fil }EE {P rel }EE {P ref }EE 0 5 10 15 20 Tiempo [s] -5 -4 -3 -2 -1 0 1 Fuerza [N] -10 0 10 20 30 40 50 Posición [mm] Escenario 4 / Eje Z {F} EE {P rel }EE {P ref }EE Figura 5.15: Representación de la fuerza y la posición en el escenario 4 En ese instante la fuerza aumenta, y como consecuencia, el robot retrocede. Una vez la fuerza ha disminuido, como la consigna sigue aumentado, el robot intenta alcanzar la referencia, moviéndose hacia delante. Una vez más, aparecen fuerzas, esta vez mayores, ya que, al estar más alejado de la referencia, el valor de error es mayor. Finalmente, vuelve a retirarse y cuando recupera, la fuerza sin filtrar excede los 5 Ny el robot se para por seguridad. El hecho de que aparezca esta oscilación se debe a los siguientes factores: Existe un retraso entre las fuerzas reales y las fuerzas filtradas, que son las utilizadas en el algoritmo de control. Por lo tanto, la salida del control no se genera en el instante exacto en el que se produce la fuerza También existe un retraso entre el instante en el que se manda la consigna al robot, 88 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 5. Validación sistema de control con realimentación de fuerza y éste la alcanza. Este retraso es inevitable, y estará condicionado por los valores de aceleración y velocidad consignados El hecho de que la consigna no deje de aumentar hace que el error de posicionamiento se haga cada vez más grande. Como consecuencia, la salida del controlador (la velocidad) será mayor y por lo tanto las fuerzas que aparecen cuando entre en contacto, serán mayores también En la Figura 5.16 se muestra una visión 3D de la trayectoria segunda durante la ejecución del escenario. 50 45 40 35 30 25 20 6 15 10 Z [mm] 5 0 4 Escenario 4 6 24 Y [mm] 02 X [mm] 0 -2 -2 -4 -4 -6 -6 Figura 5.16: Representación de la posición en 3D en el escenario 4 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 89 Capítulo 6. Conclusiones y líneas futuras las direcciones en la que se detecta fuerza. El sistema de control ha pasado por varias iteraciones, en las cuales se ha sintonizado el controlador PD y se ha refinado la etapa de filtrado de la señal de fuerza para mejorar el comportamiento global del sistema. Finalmente, el último objetivo contemplaba la validación del sistema de control mediante la creación y análisis de escenario de contacto y colisión, los cuales han permitido terminar de refinar los parámetros del sistema de control, y validar el correcto funcionamiento del mismo. Se puede concluir, por lo tanto, que se han cumplido todos los objetivos fijados para este TFM. 6.2. Líneas futuras Una vez finalizado el Trabajo Fin de Máster, se pueden plantear las siguientes líneas de trabajo futuras: Optimización de los parámetros del lazo de control con realimentación de fuerza. El método que se ha seguido para sintonizar los parámetro del lazo de control ha sido siguiente el método de prueba y error. Aunque se hayan obtenido resultados suficientemente buenos, siempre existe un margen de mejora; con la ayuda de un modelado detallado del sistema y la utilización de software de simulación como Matlab ySimulink, podría mejorar la estabilidad y respuesta temporal del sistema. Además, la realización de pruebas reales en entornos de simulación más realistas, aportarían más información acerca del desempeño en un escenario real Incluir compensación gravitatoria. Debido al peso suspendido sobre el sensor de fuerza, en función de la posición y orientación de la herramienta, se obtienen diferentes medidas de fuerza. Esto es atajado mediante la puesta a cero de todos los valores cuando se alcanza la posición de aproximación y la orientación de la herramienta no es modificada. Aunque una vez más, los resultados son suficientemente buenos, podrían mejorarse si se incluyera una compensación gravitatoria a las medidas de fuerza. Esto también mejoraría la versatilidad del sistema robótico y daría opción a realizar movimientos más complejos con cambios de orientación Creación de una interfaz de usuario. Actualmente, todo el control se realiza a través de scripts y la línea de comandos. La creación de una interfaz de usuario permitiría recibir información de una forma más claro, además de facilitar su utilización por personal no especilizado Integración en el proyecto Craneeal. Como ha comentado en diferentes puntos del TFM, el trabajo se encuentra englobado dentro del proyecto Craneeal. El siguiente 96 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada Capítulo 6. Conclusiones y líneas futuras paso es por lo tanto llevar a cabo una integración del trabajo realizado para validar el comportamiento del sistema global Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada 97 Bibliografía [1] Robótica Médica. Proyecto CRANEEAL. Universidad de Málaga;. Available from: https://www.uma.es/medical-robotics/info/107696/ proyecto-dpi2016-80391-C3-1-R/. [2] Instituto Quirúrgico de Andalucía IQA. Indicaciones de la Colecistectomía en pacientes de Cirugía Bariátrica;. 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Especificaciones técnicas Sensor Type 6-Axis Force/Torque Sensor Dimensions (Height x Diameter) 37.5 x 70 mm Weight (with built-in adapter plates) 245 g Fxy Fz Txy Tz Nominal Capacity (N.C) 200 N200 N10 Nm 6.5 Nm Single axis deformation at N.C (typical) ±1.7 mm ±0.3 mm ±2.5 ° ± 5 ° Single axis overload 500 % 500 % 500 % 500 % Signal noise2(typical) 0.035 N 0.15 N 0.002 Nm 0.001 Nm Noise-free resolution (typical) 0.2 N 0.8 N 0.010 Nm 0.002 Nm Full scale nonlinearity < 2% < 2% < 2% < 2% Hysteresis (measured on Fz axis , typical) < 2 % < 2 % < 2 % < 2 % Crosstalk (typical) < 5 % < 5 % < 5 % < 5 % Working temperature range 0 C°/ +55 °C Power requirement DC input range 7-24V 0.8 W Mounting screws 5 x M4 x 6 mm 1 x M4 x 12 mm (for the Cable Holder) ISO14581 1It needs protection when working in corrosive liquid environments 2Signal noise is defined as the standard deviation (1 σ) of a typical one second no-load signal. Version 1.2 Copyright © 2018 by OnRobot A/S. All rights reserved HEX-E SENSOR 2.0 DATASHEET TECHNICAL SPECIFICATIONS ✓No programming skills are needed ✓Functions like center pointing, insertion, hand guiding or path recording ✓Precise presence detection ✓Keep constant force while moving ✓Adds the sense of touch to your robot ✓Dust and water resistant (IP671) KEY FEATURES XY Z Figura B.1: Especificaciones técnicas del sensor de fuerza HEX-E [24] B.2. Planos Figura B.2: Planos del sensor de fuerza HEX-E [24] 112 Estrategia de control en entornos de cirugía robotizada