Interfaz háptica de cuatro grados de libertad para cirugía Laparoscópica: diseño

Abstract

Este trabajo, se desarrolló corno tesis de la Maestría en Ingenieria Electrónica en la Universidad Pontificia Bolivariana en Bucaramanga en la línea de Bioingeniería del grupo BISEMIC. Y aporta al diseño de dispositivos hápticos aplicados al entrenamiento en cirugía mínimamente invasiva - CMI. Formula el diseño de una interfaz de 4 DoF para adaptarse a un simulador quirúrgico de laparoscopia; su validación, se efectuó mediante simulación. La retroalimentación háptica. provee realismo a la simulación computarizada pues permite la discriminación entre tejidos saludables y anormales, la identificación de los órganos y el control motor. Ya que. los procedimientos de CMI, exigen que el aprendiz adquiera buena coordinación óculo manual, la posibilidad de compensar los movimientos finos intuitivos y trabajar con una imagen 2D en un espacio 3D. La Interfaz Háptica serial de 4 DoF propuesta resulta del análisis de la estructura cinemática de dispositivos análogos; utiliza el método de Paul. para resolver el problema de la cinemática inversa dada la simplicidad geométrica que incluye muchas distancias cero y ejes de articulación perpendiculares. Para la obtención de los modelos dinámicos directo e inverso se usó el método de Newton-Euler, ambos asistidos de herramientas computacionales como Matlab® y OpenSYMORO un software de código abierto para el modelamiento de robots; así corno herramientas CAD como SolidWork, usado para el diseño de las piezas que la componen. Los modelos geométricos y dinámicos, permitieron comprobar que la interfaz puede utilizarse en la simulación de cirugías laparoscópicas, pues es capaz de seguir las trayectorias de los movimientos propios de una colecistectomía con un error cartesiano por debajo de un milímetro gracias a un controlador por par calculado (CTC). Se validó el uso del robot como interfaz háptica de retroalimentación de fuerzas, al observar el aumento del par mecánico en un espacio virtual restringido.

This research was developed as a thesis of the Master in Electronic Engineering at the Universidad Pontificia Bolivariana in Bucaramanga within the Bioengineering line of the BISEMIC group. It contributes to the design of haptic devices applied to training in minimally invasive surgery - MIS and formulates the design of a 4 DoF interface to adapt to a laparoscopic surgical simulator, it was validated by simulation. Haptic feedback provides realism to computerized simulation because it allows discrimination between healthy and abnormal tissues, the identification of organs and motor control. Since, the procedures of CMI, require that the apprentice acquires good manual eye coordination, the possibility of compensating the intuitive fine movements and working with a 2D image in a 3D space. The proposed 4-DoF serial Haptic Interface results from the analysis of the kinematic structure of analogous devices; uses PauMVs method to solve the problem of inverse kinematics given the geometric simplicity that includes many zero distances and perpendicular articulation axes. The obtaining of the direct and inverse dynamic models used the Newton-Euler method, both assisted by computational tools such as Matlab® and OpenSYMORO, an open source software for robot modeling; as well as CAD tools such as SolidWork, for the design of the manipulator parts. The geometric and dynamic models allowed us to verify that the interface can be used in the simulation of laparoscopic surgery, since it is able to follow the trajectories of the movements of a cholecystectomy with a Cartesian error of less than one millimeter thanks to a calculated torque controller - CTC. The use of the robot as a haptic force feedback interface was validated by observing the increase in mechanical torque in a restricted virtual space