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Robot quirúrgico

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Robot quirúrgico Robot quirúrgico Presentation Transcript

  • DISEÑO DE UN ROBOTQUIRÚRGICO I Introducción Cinemática directa Cinemática inversa Matriz Jacobiana
  • INTRODUCCIÓN  Realización de incisiones en la pierna del paciente, con el fin de implantar un conjunto metálico que mantenga unidas las partes rotas del hueso que sirva de ayuda para la soldadura del hueso. La endoscopia es una técnica diagnóstica utilizada sobre todo en medicina que consiste en la introducción de un endoscopio a través de una incisión quirúrgica para la visualización de un órgano hueco o cavidad corporal. La endoscopia además de ser un procedimiento de diagnóstico mínimamente invasivo, también puede realizar maniobras terapéuticas como una colecistectomía laparocópica, artroscopia o la toma de biopsias. MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS
  • INTRODUCCIÓN En general, se admite que la robótica aporta numerosas ventajas con respecto al acto realizado por el hombre: Permite una mayor precisión en los movimientos. El robot ejecuta las acciones que le son ordenadas por el médico, editándola por medio de un sistema de cómputo, es decir eliminando errores como el temblor que la mano humana tiene por naturaleza. Posee un sistema de movimientos a escala de 1 a 1, de 1 a .3 y de 1 a .5, que les permite a los cirujanos hacer cirugía de alta precisión . Las imágenes por medio de los visores telescópicos logran aumentar hasta 20 veces el tamaño normal, lo que permite al cirujano ver los órganos con más detalle. Son más rápidos en la ejecución del trabajo asignado y tienen alta seguridad con velocidades de ejecución. Un cirujano no es capaz de ir rápido pues debe tener cuidado de no dañar órganos durante la intervención quirúrgica Disminuye el sufrimiento de los pacientes, pues las incisiones que se realizan son entre 5 y 10 milímetros de diámetro, lo que representa suficiente espacio para permitir la entrada de los instrumentos del robot. Reduce el tiempo de estancia hospitalaria de los pacientes, quienes pueden reincorporarse a sus actividades normales en un lapso no mayor a siete días. Otorga mayor libertad de movimiento al cirujano que en una cirugía tradicional. El cirujano puede realizar la cirugía sin estar en contacto con el paciente, y no debe vestirse con ropa estéril. Están mejor adaptados a una labor específica y mantienen mejor la atención durante el procedimiento. Son más resistentes a la fatiga, por lo que no necesitan un período de tiempo de descanso. Tienen una salud de hierro y no están sometidos a la legislación laboral. Maniobras totalmente predecibles y no existen desviaciones de la trayectoria planificada . ¿POR QUÉ QUEREMOS UN ROBOT EN LOS QUIRÓFANOS?
  • CINEMÁTICA DIRECTA “LO MEJOR ES ENEMIGO DE LO BUENO” d1(t)Tres articulaciones prismáticas d3(t) d2(t)Dos articulaciones de rotación θ3(t) BLACK&DECKER Articulación extra prismática θ4(t) MODELO ALÁMBRICO DEL ROBOT
  • CINEMÁTICA DIRECTA Singularidades en las límites en del espacio de trabajo del robot. d1(t)Se presentan cuando el extremo del robot está en algún puntodel límite de trabajo interior o exterior. d3(t) 0º < θ4(t) < 360º d2(t) -75º < θ5(t) < 225º θ3(t) Singularidades en interior del espacio de trabajo del robot. Ocurren dentro de la zona de trabajo y se producengeneralmente por el alineamiento de dos o más ejes de las θ4(t)articulaciones del robot. MODELO ALÁMBRICO DEL ROBOT
  • CINEMÁTICA DIRECTA d1(t)ESLABÓN θi di ai αi d3(t) d2(t) 1 0º d1(t) 0 90º 2 90º d2(t) 0 –90º θ3(t) 3 0º d3(t) 0 0º 4 θ4(t) l4 0 90º θ4(t) 5 θ5(t) 0 l5 0º HUELLA DEL ROBOT
  • CINEMÁTICA DIRECTA d1(t) θ4(t) d2(t) θ3(t)MATRICES DE TRANSFORMACIÓN HOMOGÉNEA
  • CINEMÁTICA DIRECTARESOLUCIÓN DEL PROBLEMA CINEMÁTICO DIRECTO
  • CINEMÁTICA INVERSAfunction q = inversa(T)l4=0.4;l5=0.2;% Inicialización de las variables articulares a calcularq=[0 0 0 0 0];% Solución de las articulacionesq(1)=T(1,4)-l5*T(2,1)*T(3,2);q(2)=T(2,4)+l5*T(1,1)*T(3,2);q(3)=-T(3,4)-l4+l5*T(3,3);q(4)=asin(T(1,1));q(4)=atan2(T(1,1),T(2,1));q(5)=asin(-T(3,3));q(5)=atan2(-T(3,3),T(3,2)); CÓDIGO IMPLEMENTADO PARA LA CINEMÁTICA INVERSA RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA CINEMÁTICO INVERSO
  • SINGULARIDADES Límite exterior del espacio de trabajo. Límite exterior del espacio de trabajo. Límite interior del espacio de trabajo. Límite exterior del espacio de trabajo. z4 y z5 se alinean con z1. z4 y z5 se alinean con z0. Peores configuraciones del robot MATRIZ JACOBIANA DIRECTA
  • SINGULARIDADES θ4(t) θ4(t ) ≠ 0º, 90º, 180º, 270º θ4(t) θ5(t) = 90º θ5(t) = 0º θθ(t ) = 180º 4 5(t) = 270º θ4(t ) = θ4(t ) = 0º 270º θ4(t ) = 90º θ5(t) = 0º θ5(t) = 180º θ5(t) = 0º θ5(t) =Figura 2.6b: Casos 3 y 4. Tipos de singularidades en los límites Casos 1 y 2. Tipos de singularidades en los límites que presenta en θ4(t) = 90º, 270º. Figura 2.6a: que presenta en 180º θ4(t) ≠ 0º, 90º, 180º, 270º y θ4(t ) = 0º, 180º.. θ5(t) = 180º Figura 2.7a: Caso 5 de singularidades de ejes z4 y z5 que se alinean con z1. Figura 2.7b: Caso 6 de singularidades de ejes z4 y z5 que se alinean con z0. MATRIZ JACOBIANA DIRECTA
  • ANTI-SINGULARIDADES Configuración 1: θ4 = 45º y θ5 = 35.2644º Configuración 2: θ4 = 45º y θ5 = 144.7356º Configuración 3: θ4 = 45º y θ5 = 324.7356º Configuración 4: θ4 = 45º y θ5 = 215.2564º Configuración 1: θ4 = 45º y θ5 = 35.2644º Configuración 5: θ4 = 135º y θ5 = 35.2644º Configuración 2: θ4 = 45º y θ5 = 144.7356º Configuración 6: θ4 = 135º y θ5 = 144.7356º Configuración 3: θ4 = 45º y θ5 = 324.7356º Configuración 7: θ4 = 135º y θ5 = 324.7356º Configuración 4: θ4 = 45º y θ5 = 215.2564º Configuración 8: θ4 = 135º y θ5 = 215.2564º Configuración 9: θ4 = –45º y θ5 = 35.2644º Configuración 13: θ4 = 225º y θ5 = 35.2644º Configuración 14: θ4 = –45º y θ5 = 144.7356º Configuración 10: θ4 = 225º y θ5 = 144.7356º Configuración 15: θ4 = –45º y θ5 = 324.7356º Configuración 11: θ4 = 225º y θ5 = 324.7356º Configuración 16: θ4 = –45º y θ5 = 215.2564º Configuración 12: θ4 = 225º y θ5 = 215.2564º Configuración 13: θ4 = –45º y θ5 = 35.2644º Configuración 14: θ4 = –45º y θ5 = 144.7356º Configuración 15: θ4 = –45º y θ5 = 324.7356º Configuración 16: θ4 = –45º y θ5 = 215.2564º Mejores configuraciones del robot MATRIZ JACOBIANA DIRECTA
  • PSEUDO-SINGULARIDADES Peores orientaciones del efector final MATRIZ JACOBIANA INVERSA
  • DISEÑO DE UN ROBOTQUIRÚRGICO II Dinámica inversa Dinámica directa Selección de servoaccionamientos Control y Simulación
  • DINÁMICA MÓDULOSCOMERCIALES ROBOT REAL
  • DINÁMICACARTESIANO TORREBLANCA ROBOT REAL
  • DINÁMICANUESTRO ROBOT
  • DINÁMICA INVERSAfunction tau = newtoneuler5(q,qp,qpp,g,mext,Iext) Masas Posicionamiento Rozamiento elementos cdm viscosoM1= 5 kg F1= -0.5 B1= 0.06M2= 5 kg F2= -0.5 B2= 0.06M3= 5 kg F3= -0.5 B3= 0.06M4= 0 kg F4= -0.5 B4= 0.05M5= 7 kg F5= -0.5 B5= 0.05 CÓDIGO NEWTON-EULER
  • DINÁMICA INVERSACálculo de los momentos de inercia: Teorema Steiner CÓDIGO NEWTON-EULER
  • DINÁMICA INVERSAFunciones utilizadas a las que llama NEWTONEULER5.M:  RI0WI: cálculo de las velocidades angulares de las articulaciones.  RI0WPI: cálculo de la aceleraciones angulares de las articulaciones.  DH: cálculo de las matrices de transformación.  RI0PI + RI0VPI_R o RI0VPI_P: cálculo de las aceleraciones lineales.  RI0SI + RI0AI: cálculo de las aceleraciones del centro de masa de cada elemento. CÓDIGO NEWTON-EULER
  • DINÁMICA INVERSA RI0FI: cálculo de las fuerzas en el centro de masas de cada elemento. RI0NI: cálculo de los pares en el centro de masas de cada elemento. RI0FIA: cálculo de las fuerzas articulares. RI0NIA: cálculo de los pares articulares. T_R: cálculo de los pares de accionamientos. F_P: cálculo de las fuerzas de accionamientos CÓDIGO NEWTON-EULER
  • DINÁMICA DIRECTA Vector de aceleración de la gravedadVector de aceleración de la gravedad Inicialmente [-g,0,0] Finalmente [0,0,-g] D-H 1ª articulación CÓDIGO NEWTON-EULER
  • DINÁMICA DIRECTAfunction qpp = walkerorin5(q,qp,tau,mext,Iext);b=newtoneuler5(q,qp,zeros(5,1),9.8,masaext,inerciaext);H = h5(q,masaext,inerciaext); WALTER-ORIN
  • DINÁMICAEJEMPLO RESUMEN
  • SERVOACCIONAMIENTOS Articulación 1 Articulación 2 Articulación 5Articulación 4 Articulación 3 MOTORES ARTICULARES
  • SERVOACCIONAMIENTOSArticulación 1 2 3 4 5τ Articulación 3.6665 pico (Nm) 1 3.61622 3 4 2.5789 7.4278x10^-3 5 0.0299 τ pico (Nm) 5.4998 5.4243 3.8684 11.142x10^-3 0.04485ττnominal (Nm) 0.0246 1.3333x10^-3 1.2385 1.0472x10^-4 (Nm) 0.0369 19.99x10^-3 1.8577 1.5708x10^-4 0.0138 0.0207 nominalDA42HBB-10 (prismáticas) DB17CDB-10 (rotacionales)Parámetros Símbolo Valor Parámetros Símbolo ValorResistencia R 0.6 Ω Resistencia R 6.9 ΩInductancia L 1.01 mH Inductancia L 1.28 mHConstante de par KT 0.155 Nm/A Constante de par KT 0.035 Nm/AConstante de voltaje KV 0.155 V/rad/s Constante de voltaje KV 0.035 V/rad/sCorriente máxima Imáx 38.7 A Corriente máxima Imáx 3.6 A MOTORES ARTICULARES
  • CONTROL PID K I DPID 1 95 0 0.12PID 2 98 0 0.12PID 3 95 0 0.1PID 4 55 0 0.29PID 5 78 0 0 DISEÑO REGULADORES
  • CONTROL PIDRespuestas finales conseguidas: Articulación 1 5 4 3 2 DISEÑO REGULADORES
  • SIMULACIÓN FINALSeñal de referencia salida del planificador: Evolución articular: SIMULACIÓN ROBOT
  • SIMULACIÓN FINAL Respuestas finales conseguidas utilizando un planificador de trayectorias correcto:Curvas mucho más suaves  respuestas correctas SIMULACIÓN ROBOT
  • FINQUIROBOT