Diseño de un algoritmo de corte con penetración controlada con bisturí empleando un manipulador robótico

• Autor: Suárez Quispe, Juan Carlos
• Formato: tesis de maestría
• Fecha de Publicación: 2022
• Institución: Universidad Nacional de Ingeniería
• Repositorio: UNI-Tesis
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:cybertesis.uni.edu.pe:20.500.14076/24561
• Enlace del recurso: http://hdl.handle.net/20.500.14076/24561
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Manipulador robótico; Algoritmo de corte; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.02.02

El presente trabajo de tesis se orientó al diseño de un algoritmo de corte con penetración controlada con bisturí, empleando un manipulador robótico. Este algoritmo utiliza como variable controlada, la profundidad de corte, empleada para medir el grado de penetración del bisturí, y como señal de control usa la referencia de rapidez angular enviada al servomotor que ejerce el movimiento vertical del efector final del manipulador robótico. El algoritmo emplea además múltiples constantes que dependen del criterio del usuario tales como factores de tolerancia, factores de escalamiento, parámetros que definen los conjuntos difusos, entre otros. Este algoritmo fue diseñado para realizar cortes verticales con bisturí a superficies planas de tejido blando y se enfoca, exclusivamente, en el control del grado de penetración de los cortes, por lo que no considera el análisis o el control del perfil de la incisión dejada por el bisturí en la muestra, ya que no es objeto de esta investigación. Este trabajo no abarcó un estudio de los rangos máximos de profundidades de corte controladas realizables, ¡empleando este algoritmo; sin embargo, las herramientas utilizadas para las pruebas (bisturí, robot, muestra, entre otras) permitieron realizar incisiones con referencias de con-trol de profundidad de corte de hasta 10mm. Este algoritmo fue desarrollado para ejercer el control de la profundidad de corte en función a información extraída de imágenes tomadas por una cámara de video ubicada en una posición fija con línea de vista perpendicular al plano que forma la hoja de un bisturí. Por su parte, durante las pruebas del algoritmo, el bisturí fue sostenido por el efector final, diseñado y fabricado para el presente trabajo de tesis, que tuvo como finalidad proveer la capacidad de sostener un bisturí al manipulador robótico. El algoritmo se compone de varias sub-rutinas y su funcionamiento puede ser resumido en dos etapas. En la primera se estima el grado de penetración del bisturí y en la segunda se calcula la señal de control. La estimación del grado de penetración se consigue detectando la región del bisturí dentro de una sub-imagen extraída de una imagen tomada por la cámara de video. Esta sub-imagen es obtenida localizando tres referencias visuales colocadas sobre el mango del bisturí, denominadas marcas de color. Por su parte, el cálculo de la señal de control se realiza utilizando un controlador PI-difuso (proporcional integral difuso) en el que las ganancias de control, proporcional e integral, son calculadas empleando una máquina de reglas difusas para cada una. Dicho controlador fue elegido tras evaluar el funcionamiento de los controladores PID, difuso y PI-difuso, y encontrar que únicamente los controladores PID y PI-difuso cumplieron con las especificaciones de control al permitir obtener tiempos de asentamiento menores a 90 segundos y sobreelongaciones máximas porcentuales menores al 25 %. La evaluación tuvo como resultado la elección del controlador PI-difuso, debido a su mayor versatilidad de implementación. El algoritmo de corte con penetración controlada, realizado en un programa de computadora, fue utilizado para la ejecutar cortes con penetración controlada con bisturí, emplean-do un manipulador robótico. Las pruebas de corte fueron efectuadas haciendo incisiones con bisturí a muestras de pecho de pollo. Esta clase de muestra (pecho de pollo) fue elegida debido a su presencia en la bibliografía citada, como tejido blando, y su fácil acceso en el mercado local. Se realizaron 10 incisiones por cada una de las 3 referencias (5mm, 7.5mm y 10mm), por lo que se realizó un total de 30 pruebas. Los resultados de las pruebas mostraron que se obtuvieron errores relativos porcentuales de las profundidades de corte controladas de entre -33.00 % y 30.80 %; valores que son similares a los citados en la bibliografía. Por su parte, se obtuvo un coeficiente de correlación de Pearson de 0.89, que al ser cercano a 1, evidenció una fuerte correlación entre las profundidades de corte controladas obtenidas experimentalmente y sus respectivas referencias de control de profundidad de corte. Por estas razones, se concluyó que los resultados obtenidos de la aplicación del algoritmo de corte con penetración controlada fueron satisfactorios y, en consecuencia, se cumplió con el objetivo principal de la tesis.