Diseño e implementación de un prototipo de dispositivo háptico de 7 GDL orientado a cirugía con control fraccionario de torque y compensación de gravedad para el control de trayectoria de un robot UR5

• Autor: Palomino Barzola, Styven Felix
• Formato: tesis de grado
• Fecha de Publicación: 2024
• Institución: Universidad de Ingeniería y tecnología
• Repositorio: UTEC-Institucional
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:repositorio.utec.edu.pe:20.500.12815/354
• Enlace del recurso: https://hdl.handle.net/20.500.12815/354
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Procedimientos Quirúrgicos Robotizados; Interfaces Hápticas; Procedimientos quirúrgicos mínimamente invasivos; Controladores PID; Diseño y construcción de robots; Robótica; Robots quirúrgicos; Robotic surgical procedures; Haptic interfaces; Minimally invasive surgical procedures; PD Control; Robot design & construction; Robotics; Surgical robots; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.00.00

Actualmente, se pueden utilizar robots para llevar a cabo cirugías mínimamente invasivas. Los cirujanos pueden controlar estos robots con dispositivos padres. Sin embargo, existe un problema al utilizar estos robots: la falta de retroalimentación háptica. Para solucionar este problema se suelen optar por dispositivos comerciales, los cuales no están diseñados para usarse en cirugías. Al usar estos dispositivos, se presentan problemas de movimientos no deseados debido a la falta de actuación en todos sus grados de libertad. Asimismo, la imposibilidad de mantenerse en una posición fija complica a los cirujanos debido a que tienen que sostener estos dispositivos durante toda la cirugía. Sabiendo ello, el presente trabajo aborda el diseño e implementación de un prototipo de dispositivo háptico orientado a cirugía. Este prototipo sirve como dispositivo padre que cuenta con 7 grados de libertad y comanda posiciones a un robot hijo UR5. En el diseño, se empleó la configuración articular Z-X-Z basado en la literatura. Luego, se optimizaron los ángulos mínimos y máximos del dispositivo con algoritmos genéticos, obteniendo una mejora del 27 % al abarcar el espacio de un cubo de 35 cm necesario para cirugía. Seguido a ello, se implementó el controlador PD con compensación de gravedad para garantizar que el dispositivo sea capaz de mantener su última posición. El resultado del controlador PD mostro un error de posición del 0.14 %. Por otro lado, se implementó el control PID de orden fraccionario de torque para generar la sensación háptica en el efector final del prototipo. Este controlador obtuvo un error de torque del 0.6 % con un tiempo de establecimiento de 0.1 segundo. Finalmente, se generaron dos trayectorias espaciales (cerrada y abierta) en X-Y-Z con un error de 6.2 mm y 19.2 mm para la simulación e implementación, respectivamente.