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

Abstract

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.

Nowadays, it is usual to use robots to perform minimally invasive surgery. Surgeons can control these robots with parent devices. However, there is a problem when using these robots: the lack of haptic feedback. To solve this problem, commercial devices are often chosen, which are not designed for surgeries. When use these devices, there are problems of unwanted movements due to the lack of actuation in all its degrees of freedom. Also, the impossibility of staying in a fixed position complicates surgeons because they have to hold these devices during the whole surgery. Considering this, the present work addresses design and implementation of a surgeryoriented haptic device prototype. This prototype serves as a parent device that has 7 degrees of freedom and commands positions to a UR5 child robot. In the design, the Z-X-Z joint configuration based on literature was used. Then, the minimum and maximum angles of the device were optimized, obtaining an improvement of 27 % to cover the space of a 35 cm cube required for surgery. Following this, the PD controller with gravity compensation was implemented to ensure that the device is able to maintain its last position. The result of the PD controller showed an error of 0.14 %. On the another hand, the torque fractional order PID control was implemented to generate the haptic sensation in the end effector of the prototype. This controller obtained an error of 0.6 % with a settling time of 0.1 second. Finally, a closed trajectory with an error of 6.2 mm and open trajectory with an error of 19.2 mm were generated for simulation and implementation, respectively.