En este trabajo se describe la plataforma CISOBOT, desarrollada por la Universidad de Málaga para intervenciones de cirugía mínimamente invasiva, así como su ampliación a través del diseño mecatrónico de un instrumento motorizado que permite mover el extremo de este. El objetivo de esta plataforma es el estudio de nuevos algoritmos de control que permitan la teleoperación bilateral y el empleo de guiado hápticoUniversidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Gómez, Ana M.

Muñoz-Martínez, Víctor Fernando

Perez-del-Pulgar-Mancebo, Carlos Jesus

Reina, Antonio J.

Spanish

Jornadas de Automática (37ª. 2017. Gijón

Gómez Delgado, A. M.

Pérez del Pulgar Mancebo, C. J.

Reina Terol, A.

Muñoz, V. F.

Repositorio Institucional de la Universidad de Oviedo

Teleoperación de instrumentos quirúrgicos articulados

Pérez-del-Pulgar-Mancebo, Carlos Jesús

Reina-Terol, Antonio Jesús

Repositorio Institucional Universidad de Málaga

TELEOPERACIO´N DE INSTRUMENTOS QUIRU´RGICOSARTICULADOSA. M. Go´mez Delgado, C.J. Pe´rez del Pulgar Mancebo, A. Reina Terol, V.F. Mun˜ozDepartamento de Ingenier´ıa de Sistemas y Automa´tica, Universidad de Ma´laga, Andalucia Techcarlosperez@uma.esResumenEn los u´ltimos an˜os se han llevado a cabo grandesavances en el a´mbito de la robo´tica me´dica quehan dado lugar al estudio y desarrollo de diversosrobots quiru´rgicos. En particular, la cirug´ıa mini-mamente invasiva ha evolucionado hacia lo que sedenomina cirug´ıa de un u´nico puerto. Este tipo decirug´ıa permite introducir todos los instrumentosa trave´s de un u´nico punto de insercio´n. En estesentido, en este trabajo se describe la plataformaCISOBOT, desarrollada por la Universidad deMa´laga para este tipo de intervenciones, as´ı comosu ampliacio´n a trave´s del disen˜o mecatro´nico deun instrumento motorizado que permite mover lapunta de e´ste. El objetivo de esta plataforma es elestudio de nuevos algoritmos de control que permi-tan la teleoperacio´n bilateral y el empleo de guiadoha´ptico.Palabras clave: Teleoperacio´n, robo´tica me´dica,instrumento motorizado, dispositivo ha´ptico1 INTRODUCCIO´NEn los u´ltimos an˜os, se han realizado grandesavances relacionados con las te´cnicas quiru´rgicasbasadas en cirug´ıa minimamente invasiva (MIS).El estudio y desarrollo de te´cnicas SILS (cirug´ıasde un solo puerto por sus siglas en ingle´s) hanpermitido introducir varios instrumentos articu-lados a trave´s de un mismo punto de insercio´n(fulcro). Algunos ejemplos son: cirug´ıa por unasola incisio´n (SPAS), laparoscopia por una sola in-cisio´n (LESS) o cirug´ıa endosco´pica transluminala trave´s de orificios naturales (NOTES) [3].Este tipo de procedimientos aportan ventajas alpaciente como: disminucio´n del malestar, riesgode hemorragias y complicaciones, debido al menortrauma causado por el menor nu´mero de inci-siones. Adema´s, el tiempo de recuperacio´n se vetambie´n disminuido por este mismo motivo [5].Sin embargo, estos beneficios derivan en nuevosinconvenientes para el cirujano. Se debe tener encuenta el posible choque entre instrumentos tantofuera como dentro del abdomen del paciente de-Figura 1: Ejemplo de sistema de teleoperacio´n encirug´ıa.bido a la introduccio´n de varios instrumentos atrave´s del mismo trocar. Adema´s, la ca´mara la-parosco´pica tambie´n se introduce por la misma in-cisio´n, provocando una pe´rdida de triangulacio´n yuna reduccio´n del campo de visio´n dentro del ab-domen debido a su proximidad a los instrumentos[8].El empleo de plataformas robo´ticas de tele-operacio´n se emplean en cirug´ıa para mejo-rar las habilidades del cirujano en interven-ciones quiru´rgicas [10]. Estas plataformas sebasan en una arquitectura maestro esclavo tal ycomo que muestra en la Figura 1. El cirujanoenv´ıa las o´rdenes mediante una consola (maestro)dotada normalmente de una pantalla y disposi-tivos ha´pticos. Estas o´rdenes son recibidas poruno o varios manipuladores que son los encarga-dos de reproducir los movimientos del cirujano.El empleo de estas plataformas aparece como unasolucio´n que podr´ıa apaliar las desventajas expli-cadas anteriormente, se podr´ıa disponer de un sis-tema capaz de detectar y esquivar la colisio´n deinstrumentos, control del movimiento de los in-strumentos con el fin de facilitar la ejecucio´n deestos, etc. En este sentido, la Universidad deMa´laga se encuentra desarrollando la plataformaexperimental de teleoperacio´n CISOBOT [2] [7].Este art´ıculo contribuye al desarrollo de estaplataforma con el disen˜o mecatro´nico de un instru-Figura 2: Instrumento motorizado con punta ar-ticulada.mento motorizado que permite mover la punta yel control del mismo mediante una consola de tele-operacio´n que emplea dispositivos ha´pticos.2 INSTRUMENTOMOTORIZADOEl prototipo del instrumento motorizado conpunta articulada utilizado es el representado en laFigura 2. Este instrumento ha sido disen˜ado y fab-ricado en colaboracio´n con la empresa PROSAINS.L. El objetivo de esta herramienta es an˜adir tresgrados de libertad en la punta de un instrumentoquiru´rgico empleado para te´cnicas SILS.Dicho instrumento consta de una pinza en el ex-tremo, cuatro motores paso a paso y cuatro finalesde carrera. De estos, tres motores van conectadosa una controladora Trinamic TMCM-351, y el mo-tor encargado de la apertura y cierre de la pinza vaconectado a la controladora de Nanotec SMC42.A continuacio´n, se explica con detalle dichos com-ponentes.2.1 MOTORES PASO A PASOLos motores paso a paso se encargan de transmi-tir el movimiento a la punta articulada a trave´sde cables tensores distribuidos a lo largo de lavarilla. Esto proporciona al instrumento tres gra-dos de libertad del tipo Roll-Pitch-Yaw. Este tipode motores avanzan girando a pasos fijos de 1,8o,sin embargo, al estar conectado a un sistema depoleas, el a´ngulo por paso queda en 0,9o.Siguiendo la numeracio´n expuesta en la figura 2, elMotor 0 realiza el movimiento vertical de la punta,coincidiendo con la rotacio´n denominada Pitch, elMotor 1 realiza el movimiento horizontal, que secorresponde con la rotacio´n Yaw, y por u´ltimo, elMotor 2 se encarga del movimiento de la varilla delinstrumento sobre su propio eje, coincidiendo conla rotacio´n denominada Roll. De este modo, se da(a) Motor 0 y 1 (b) Motor 2 (c) Motor 3Figura 3: Motores paso a paso empleados en elinstrumento motorizado.capacidad a la punta de moverse en las tres direc-ciones espaciales. Los tres motores, del fabricanteNanotec, son los mostrados en la figura 3a y 3b, ysus caracter´ısticas ma´s relevantes se describen enlas tablas 1 y 2.Tabla 1: Caracter´ısticas de los motores 0 y 1Especificacio´n Motor 0 y 1Modelo ST5918S2008-AVoltaje 3.0 VCorriente/Fase 2.0 APar de mantenimiento 88 NcmPeso 0.65 KgTabla 2: Caracter´ısticas del Motor 2Especificacio´n Motor 2Modelo ST2018M0804-AVoltaje 4.32 VCorriente/Fase 0.8 APar de mantenimiento 3.00 NcmPeso 0.08 KgLa funcio´n de abrir y cerrar la pinza que se encuen-tra en el extremo del instrumento la lleva a caboel cuarto motor (Figura 3c), denominado Motor3 en la figura 2. El movimiento rotativo se con-vierte en un movimiento lineal por la tuerca derosca integrada en el motor lineal paso a paso,comporta´ndose como un actuador lineal. En latabla 3 se encuentran resumidas las principalescaracter´ısticas de dicho motor.2.2 CONTROLADORASEl esquema de conexiones realizado en la inter-faz entre las controladoras y el instrumento mo-torizado se muestra en la figura 4. Para mayorclaridad, se ha seguido el mismo co´digo de coloresde las conexiones en las placas reales.La controladora TMCM-351 (Figura 5a) se en-carga de realizar el control en tiempo real de losmotores paso a paso del instrumento. Este modeloes capaz de controlar precisamente tres motores.Segu´n la informacio´n del fabricante, para la ali-Figura 4: Esquema de conexionado entre las controladoras y los motores.Tabla 3: Caracter´ısticas del Motor 3Especificacio´n Motor 3Modelo LPV2515S0104-Tr3.5X1Voltaje 5.0 VCorriente/fase 0.1 ACarrera 12 mmPeso 0.04 Kg(a) TMCM-351 (b) SMC42Figura 5: Controladoras empleadas.mentacio´n sera´ necesaria una tensio´n continua de24V, y una corriente ma´xima de 2,8A por cadamotor. Finalmente, la placa se comunica con elPC a trave´s de una conexio´n serie RS-232.El control del Motor 3 se lleva a cabo por mediode la controladora SMC42 de la empresa Nanotec,mostrada en la figura 5b. Sus caracter´ısticas prin-cipales son: voltaje de funcionamiento entre 21V y37V a corriente continua y una capacidad de corri-ente ma´xima de 2A por fase. Se encuentra conec-tada a la placa controladora TMCM-351, emple-ando las sen˜ales Direction, Enable y Clock paracontrolar el movimiento del motor 3. Cada paso seejecuta mediante un flanco negativo en la entradaClock. La sen˜al Direction especifica la direccio´nde rotacio´n del motor. Por u´ltimo, la sen˜al Enabledesconecta la corriente de fase despue´s de recibirun flanco de subida y el motor no recibir´ıa corri-ente. La sen˜al de un flanco de bajada suministrael motor con corriente de nuevo. De esta forma, lasen˜al Enable debe estar a nivel bajo para realizarun movimiento del motor.Cada motor transmite el movimiento a la puntaa trave´s de unos cables tensores en el interior dela varilla, lo cua´l provoca que la relacio´n entre elmovimiento del motor y la posicio´n de la puntano sea una relacio´n lineal. Por este motivo, se hadesarrollado un programa encargado de calibrar larelacio´n motor-instrumento.La inicializacio´n de los motores se realiza medianteel empleo de los cuatro finales de carrera instala-dos en el instrumento. Con ellos se obtienen lasreferencias del Motor 0 y el Motor 1 y se inicializade manera que la punta quede recta. Adema´s, seconfiguran las variables Clock, Direction y Enable,necesarias para la controladora SMC42. La sen˜alClock se configura inicialmente con un pulso de10ms. La sen˜al Direction se configura en un inicioa nivel bajo, correspondiente al cierre de la pinza,y siendo nivel alto cuando se precise su apertura.Por u´ltimo, la sen˜al Enable se inicializa a nivelalto.Figura 6: Arquitectura de la plataformaCISOBOT.3 ENTORNO DETELEOPERACIO´Nla figura 6 muestra la arquitectura del sistema deteleoperacio´n que se ha empleado en la plataformaCISOBOT. Esta arquitectura consta de un PCque emplea el software Simulink Desktop Realtimepara ejecutar el programa de control. Este PCse comunica con tres sistemas: manipulador, in-strumento motorizado y estacio´n de teleoperacio´n.Primero, el sistema del manipulador compuestopor un sensor de esfuerzos y un brazo robo´tico. Elsegundo, es el instrumento motorizado que incluyela propia herramienta y las dos controladoras en-cargadas de su movimiento. Por u´ltimo, el sistemade la estacio´n de teleoperacio´n esta´ compuesto porun dispositivo ha´ptico. Todas las comunicacionesentre los diferentes sistemas se realizan a trave´s deun interfaz UDP.La figura 7 se presenta la plataforma de teleop-eracio´n CISOBOT con la integracio´n del instru-mento motorizado.3.1 MANIPULADOREl robot esclavo de este sistema teleoperado setrata de un brazo robo´tico modular de seis gra-dos de libertad, disen˜ado por la empresa RobotnikAutomation mostrado en la figura 7. Este robotesta´ basado en mo´dulos rotativos PowerCube de lamarca Schunk que funcionan como controladoresdistribuidos.El env´ıo y lectura de las medidas del manipuladorse llevan a cabo a trave´s de un programa desar-rollado en LabVIEW e implantado en un orde-nador embebido de tiempo real NI-PXI. Este pro-grama se encarga de la inicializacio´n de los manip-Figura 7: Plataforma CISOBOT dotada del in-strumento motorizado.uladores, y del env´ıo de las referencias de veloci-dad o posicio´n a las controladoras de cada articu-lacio´n del manipulador. De igual forma recibe lasposiciones y velocidades de cada articulacio´n.En la zona de interfaz entre el efector final del ma-nipulador Robotnik y el instrumento motorizadose encuentra un sensor de esfuerzos fabricado porla empresa ATI Industrial Automation, en partic-ular el modelo Network Force/Torque Sensor Sys-tem o Net F/T. El dipositivo de control del sensor(DSP) proporciona un interfaz UDP, que ha per-mitido que este sensor se conecte directamente conla aplicacio´n que se ejecuta en el PC.3.2 DISPOSITIVO HA´PTICOLa estacio´n de teleoperacio´n esta´ basada en unapantalla que muestra la imagen del interior delabdomen, as´ı como dos dispositivos ha´pticosPhantom Omni. Estos dispositivo ofrecen hastaseis grados de libertad y proporciona retroali-mentacio´n de fuerzas de hasta 3.3 N. La tabla 4resume las caracter´ısticas principales del disposi-tivo ha´ptico empleado.Tabla 4: Caracter´ısticas del dispositivo ha´pticoEspecificacio´n Descripcio´nEspacio de trabajo 160 x 120 x 70 mmA´rea de la base 168 x 203 mmRigidez1.26 N/mm Eje X2.31 N/mm Eje Y1.02 N/mm Eje ZEl dispositivo ha´ptico proprociona dos para´metrosFigura 8: Aritculaciones del dispositivo ha´pticoPhantom Omni.Figura 9: Representacio´n de la orientacio´n della´piz del dispositivo ha´ptico.denominados Joints y Gimbals para conocer laposicio´n y orientacio´n del la´piz que permite re-alizar los movimientos. Como se puede ver enla figura 8, los tres primeros grados de libertadvienen dados por los denominados Joints, mien-tras que los tres siguientes son los denominadosGimbals. Estos u´ltimos sera´n los utilizados parael ca´lculo de la orientacio´n. La orientacio´n del dis-positivo ha´ptico que se obtiene de dicho para´metrose corresponden con Roll, Pitch, Yaw como semuestra en la Figura 9.Por otra parte, este dispositivo tambie´n consta dedos botones en el la´piz. El primer boto´n se em-plea para activar los movimientos, es decir, el ma-Figura 10: Ejemplo de medida de la posicio´n an-gular en la punta de instrumento.nipulador y el instrumento se movera´n mientrasse mantenga pulsado el primer boto´n. El segundoboto´n se emplea para accionar el motor encargadode abrir y cerrar la pinza.Con respecto a la comunicacio´nes, este dispositivoconsta de interfaz IEEE-1394 FireWire con la quese conecta directamente al PC. Debido a las lim-itaciones al emplear el entorno Simulink, las comu-nicaciones entre el sistema de control en Simulinky la estacio´n de teleoperacio´n se llevan a cabo atrave´s de una aplicacio´n desarrollada que hace depasarela entre el dispositivo ha´ptico y el PC. Es-tas aplicacio´n se basa en la librer´ıa OpenHaptic,ofrecida por el fabricante.4 EXPERIMENTOSEn esta seccio´n se detalla el experimento realizadosobre el prototipo del instrumento motorizado, elcua´l tiene como objetivo representar la relacio´nmotor-instrumento como se ha explicado anterior-mente.Para realizar este experimento se env´ıan consignasde a´ngulos al motor. Empleando un transportadorde a´ngulos en la punta (Figura 10) se compruebaposicio´n angular de la punta del instrumento. Esteprocedimiento se ha repetido cada 5◦ en un rangode a´ngulos entre -45◦ y 45◦.Las figuras 11 y 12 muestran los resultadosobtenidos. Como se puede apreciar, el compor-tamiento de la punta de instrumento es bastantelineal en los extremos, sin embargo, se puede apre-ciar una pequen˜a zona muerta cuando el instru-mento se mueve alrededor de los 0◦.5 CONCLUSIONESEste art´ıculo ha presentado los nuevos desarrol-los llevados a cabo en la plataforma experimen-tal CISOBOT. En concreto, se ha ampliado estaplataforma an˜adie´ndole un instrumento motor-izado capaz de mover su punta mediante teleop-eracio´n. Los resultados muestran que la relacio´nde movimientos de los motores del instrumento nose corresponden directamente con el movimientoque se realiza en la punta. Por este motivo se harealizado un experimento en el que se ha obtenidoeste relacio´n para cada uno de los motores em-pleados. Por u´ltimo, el instrumento ha quedadointegrado en la plataforma CISOBOT. El siguientepaso es el desarrollo de algoritmos que permitan larealimentacio´n de fuerzas, as´ı como proporcionarguiado ha´ptico al operador. AgradecimientosA la Universidad de Ma´laga por el apoyo fi-nanciero del proyecto.-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50Ángulos Motor 0 (º)-50-40-30-20-100102030Ángulos Instrumento (º)Ángulos enviados al Motor 0 vs Ángulos reales en instrumentoFigura 11: Relacio´n entre la posicio´n angular ver-tical del motor paso a paso (Motor 0) y la puntadel instrumento.-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50Ángulos Motor 1 (º)-30-20-1001020304050Ángulos Instrumento (º)Ángulos enviados al Motor 1 vs Ángulos reales en instrumentoFigura 12: Relacio´n entre la posicio´n angular hor-izontal del motor paso a paso (Motor 1) y la puntadel instrumento.Referencias[1] Alzugaray Lo´pez, Ignacio, Teleoperacio´n demanipuladores robo´ticos, (2014) Universidadde Ma´laga.[2] Bauzano, E., Estebanez, B., Garcia-Morales,I., Mun˜oz, V. F., (2011) Robot quiru´rgicoauto-guiado para cirug´ıa mı´nimamente in-vasiva en solitario. In Proc. Conf. Robot-Workshop, pp. 1-18.[3] Beasley, R. 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F., (2017) Nave-gacio´n del instrumental en Robo´ticaQuiru´rgica, Jornadas Nacionales deRobo´tica, Spanish Robotics Conference.[9] Gomes, P., (2011) Surgical robotics: Review-ing the past, analysing the present, imag-ining the future, Robotics and Computer-Integrated Manufacturin, Elsevier.[10] Hoeckelmann, M., Rudas, I. J, Fiorini, P.,Kirchner, F., Haidegger, T., (2015) “Currentcapabilities and development potential in sur-gical robotic, International Journal of Ad-vanced Robotic Systems, SAGE PublicationsSage UK: London, England.[11] Okamura, A. M, Mataric, M. J, Christensen,H. I, (2010) Surgical robotics: Medical andhealth-care robotics, IEEE Robotics & Au-tomation Magazine, vol. 17, pp. 23-37.[12] Okamura, A. M, (2004) Methods for hap-tic feedback in teleoperated robot-assistedsurgery, Industrial Robot: An InternationalJournal, vol.31 pp. 499-508.[13] Sanchez-Tapia, E. J., (2012) Implementacio´nde un sistema teleoperado con reflexio´n defuerza de seis grados de libertad.

Teleoperación de Instrumentos Quirúrgicos Articulados

Pérez del Pulgar, Carlos

Muñoz, Víctor F.

Repositorio Institucional de la Universidad de Málaga

[Resumen] En los últimos años se han llevado a cabo grandes avances en el ámbito de la robótica médica que han dado lugar al estudio y desarrollo de diversos robots quirúrgicos. En particular, la cirugía minimamente invasiva ha evolucionado hacia lo que se denomina cirugía de un único puerto. Este tipo de cirugía permite introducir todos los instrumentos a través de un único punto de inserción. En este sentido, en este trabajo se describe la plataforma CISOBOT, desarrollada por la Universidad de Málaga para este tipo de intervenciones, así como su ampliación a través del diseño mecatrónico de un instrumento motorizado que permite mover la punta de éste. El objetivo de esta plataforma es el estudio de nuevos algoritmos de control que permitan la teleoperación bilateral y el empleo de guiado háptico

Repositorio da Universidade da Coruña

TELEOPERACIÓN DE INSTRUMENTOS QUIRÚRGICOSARTICULADOSA. M. Gómez Delgado, C.J. Pérez del Pulgar Mancebo, A. Reina Terol, V.F. MuñozDepartamento de Ingenieŕıa de Sistemas y Automática, Universidad de Málaga, Andalucia Techcarlosperez@uma.esResumenEn los últimos años se han llevado a cabo grandesavances en el ámbito de la robótica médica quehan dado lugar al estudio y desarrollo de diversosrobots quirúrgicos. En particular, la ciruǵıa mini-mamente invasiva ha evolucionado hacia lo que sedenomina ciruǵıa de un único puerto. Este tipo deciruǵıa permite introducir todos los instrumentosa través de un único punto de inserción. En estesentido, en este trabajo se describe la plataformaCISOBOT, desarrollada por la Universidad deMálaga para este tipo de intervenciones, aśı comosu ampliación a través del diseño mecatrónico deun instrumento motorizado que permite mover lapunta de éste. El objetivo de esta plataforma es elestudio de nuevos algoritmos de control que permi-tan la teleoperación bilateral y el empleo de guiadoháptico.Palabras clave: Teleoperación, robótica médica,instrumento motorizado, dispositivo háptico1 INTRODUCCIÓNEn los últimos años, se han realizado grandesavances relacionados con las técnicas quirúrgicasbasadas en ciruǵıa minimamente invasiva (MIS).El estudio y desarrollo de técnicas SILS (ciruǵıasde un solo puerto por sus siglas en inglés) hanpermitido introducir varios instrumentos articu-lados a través de un mismo punto de inserción(fulcro). Algunos ejemplos son: ciruǵıa por unasola incisión (SPAS), laparoscopia por una sola in-cisión (LESS) o ciruǵıa endoscópica transluminala través de orificios naturales (NOTES) [3].Este tipo de procedimientos aportan ventajas alpaciente como: disminución del malestar, riesgode hemorragias y complicaciones, debido al menortrauma causado por el menor número de inci-siones. Además, el tiempo de recuperación se vetambién disminuido por este mismo motivo [5].Sin embargo, estos beneficios derivan en nuevosinconvenientes para el cirujano. Se debe tener encuenta el posible choque entre instrumentos tantofuera como dentro del abdomen del paciente de-Figura 1: Ejemplo de sistema de teleoperación enciruǵıa.bido a la introducción de varios instrumentos através del mismo trocar. Además, la cámara la-paroscópica también se introduce por la misma in-cisión, provocando una pérdida de triangulación yuna reducción del campo de visión dentro del ab-domen debido a su proximidad a los instrumentos[8].El empleo de plataformas robóticas de tele-operación se emplean en ciruǵıa para mejo-rar las habilidades del cirujano en interven-ciones quirúrgicas [10]. Estas plataformas sebasan en una arquitectura maestro esclavo tal ycomo que muestra en la Figura 1. El cirujanoenv́ıa las órdenes mediante una consola (maestro)dotada normalmente de una pantalla y disposi-tivos hápticos. Estas órdenes son recibidas poruno o varios manipuladores que son los encarga-dos de reproducir los movimientos del cirujano.El empleo de estas plataformas aparece como unasolución que podŕıa apaliar las desventajas expli-cadas anteriormente, se podŕıa disponer de un sis-tema capaz de detectar y esquivar la colisión deinstrumentos, control del movimiento de los in-strumentos con el fin de facilitar la ejecución deestos, etc. En este sentido, la Universidad deMálaga se encuentra desarrollando la plataformaexperimental de teleoperación CISOBOT [2] [7].Este art́ıculo contribuye al desarrollo de estaplataforma con el diseño mecatrónico de un instru-XXXVIII Jornadas de Automática754https://doi.org/10.17979/spudc.9788497497749.0754Figura 2: Instrumento motorizado con punta ar-ticulada.mento motorizado que permite mover la punta yel control del mismo mediante una consola de tele-operación que emplea dispositivos hápticos.2 INSTRUMENTOMOTORIZADOEl prototipo del instrumento motorizado conpunta articulada utilizado es el representado en laFigura 2. Este instrumento ha sido diseñado y fab-ricado en colaboración con la empresa PROSAINS.L. El objetivo de esta herramienta es añadir tresgrados de libertad en la punta de un instrumentoquirúrgico empleado para técnicas SILS.Dicho instrumento consta de una pinza en el ex-tremo, cuatro motores paso a paso y cuatro finalesde carrera. De estos, tres motores van conectadosa una controladora Trinamic TMCM-351, y el mo-tor encargado de la apertura y cierre de la pinza vaconectado a la controladora de Nanotec SMC42.A continuación, se explica con detalle dichos com-ponentes.2.1 MOTORES PASO A PASOLos motores paso a paso se encargan de transmi-tir el movimiento a la punta articulada a travésde cables tensores distribuidos a lo largo de lavarilla. Esto proporciona al instrumento tres gra-dos de libertad del tipo Roll-Pitch-Yaw. Este tipode motores avanzan girando a pasos fijos de 1,8o,sin embargo, al estar conectado a un sistema depoleas, el ángulo por paso queda en 0,9o.Siguiendo la numeración expuesta en la figura 2, elMotor 0 realiza el movimiento vertical de la punta,coincidiendo con la rotación denominada Pitch, elMotor 1 realiza el movimiento horizontal, que secorresponde con la rotación Yaw, y por último, elMotor 2 se encarga del movimiento de la varilla delinstrumento sobre su propio eje, coincidiendo conla rotación denominada Roll. De este modo, se da(a) Motor 0 y 1 (b) Motor 2 (c) Motor 3Figura 3: Motores paso a paso empleados en elinstrumento motorizado.capacidad a la punta de moverse en las tres direc-ciones espaciales. Los tres motores, del fabricanteNanotec, son los mostrados en la figura 3a y 3b, ysus caracteŕısticas más relevantes se describen enlas tablas 1 y 2.Tabla 1: Caracteŕısticas de los motores 0 y 1Especificación Motor 0 y 1Modelo ST5918S2008-AVoltaje 3.0 VCorriente/Fase 2.0 APar de mantenimiento 88 NcmPeso 0.65 KgTabla 2: Caracteŕısticas del Motor 2Especificación Motor 2Modelo ST2018M0804-AVoltaje 4.32 VCorriente/Fase 0.8 APar de mantenimiento 3.00 NcmPeso 0.08 KgLa función de abrir y cerrar la pinza que se encuen-tra en el extremo del instrumento la lleva a caboel cuarto motor (Figura 3c), denominado Motor3 en la figura 2. El movimiento rotativo se con-vierte en un movimiento lineal por la tuerca derosca integrada en el motor lineal paso a paso,comportándose como un actuador lineal. En latabla 3 se encuentran resumidas las principalescaracteŕısticas de dicho motor.2.2 CONTROLADORASEl esquema de conexiones realizado en la inter-faz entre las controladoras y el instrumento mo-torizado se muestra en la figura 4. Para mayorclaridad, se ha seguido el mismo código de coloresde las conexiones en las placas reales.La controladora TMCM-351 (Figura 5a) se en-carga de realizar el control en tiempo real de losmotores paso a paso del instrumento. Este modeloes capaz de controlar precisamente tres motores.Según la información del fabricante, para la ali-XXXVIII Jornadas de Automática755Figura 4: Esquema de conexionado entre las controladoras y los motores.Tabla 3: Caracteŕısticas del Motor 3Especificación Motor 3Modelo LPV2515S0104-Tr3.5X1Voltaje 5.0 VCorriente/fase 0.1 ACarrera 12 mmPeso 0.04 Kg(a) TMCM-351 (b) SMC42Figura 5: Controladoras empleadas.mentación será necesaria una tensión continua de24V, y una corriente máxima de 2,8A por cadamotor. Finalmente, la placa se comunica con elPC a través de una conexión serie RS-232.El control del Motor 3 se lleva a cabo por mediode la controladora SMC42 de la empresa Nanotec,mostrada en la figura 5b. Sus caracteŕısticas prin-cipales son: voltaje de funcionamiento entre 21V y37V a corriente continua y una capacidad de corri-ente máxima de 2A por fase. Se encuentra conec-tada a la placa controladora TMCM-351, emple-ando las señales Direction, Enable y Clock paracontrolar el movimiento del motor 3. Cada paso seejecuta mediante un flanco negativo en la entradaClock. La señal Direction especifica la direcciónde rotación del motor. Por último, la señal Enabledesconecta la corriente de fase después de recibirun flanco de subida y el motor no recibiŕıa corri-ente. La señal de un flanco de bajada suministrael motor con corriente de nuevo. De esta forma, laseñal Enable debe estar a nivel bajo para realizarun movimiento del motor.Cada motor transmite el movimiento a la puntaa través de unos cables tensores en el interior dela varilla, lo cuál provoca que la relación entre elmovimiento del motor y la posición de la puntano sea una relación lineal. Por este motivo, se hadesarrollado un programa encargado de calibrar larelación motor-instrumento.La inicialización de los motores se realiza medianteel empleo de los cuatro finales de carrera instala-dos en el instrumento. Con ellos se obtienen lasreferencias del Motor 0 y el Motor 1 y se inicializade manera que la punta quede recta. Además, seconfiguran las variables Clock, Direction y Enable,necesarias para la controladora SMC42. La señalClock se configura inicialmente con un pulso de10ms. La señal Direction se configura en un inicioa nivel bajo, correspondiente al cierre de la pinza,y siendo nivel alto cuando se precise su apertura.Por último, la señal Enable se inicializa a nivelalto.XXXVIII Jornadas de Automática756Figura 6: Arquitectura de la plataformaCISOBOT.3 ENTORNO DETELEOPERACIÓNla figura 6 muestra la arquitectura del sistema deteleoperación que se ha empleado en la plataformaCISOBOT. Esta arquitectura consta de un PCque emplea el software Simulink Desktop Realtimepara ejecutar el programa de control. Este PCse comunica con tres sistemas: manipulador, in-strumento motorizado y estación de teleoperación.Primero, el sistema del manipulador compuestopor un sensor de esfuerzos y un brazo robótico. Elsegundo, es el instrumento motorizado que incluyela propia herramienta y las dos controladoras en-cargadas de su movimiento. Por último, el sistemade la estación de teleoperación está compuesto porun dispositivo háptico. Todas las comunicacionesentre los diferentes sistemas se realizan a través deun interfaz UDP.La figura 7 se presenta la plataforma de teleop-eración CISOBOT con la integración del instru-mento motorizado.3.1 MANIPULADOREl robot esclavo de este sistema teleoperado setrata de un brazo robótico modular de seis gra-dos de libertad, diseñado por la empresa RobotnikAutomation mostrado en la figura 7. Este robotestá basado en módulos rotativos PowerCube de lamarca Schunk que funcionan como controladoresdistribuidos.El env́ıo y lectura de las medidas del manipuladorse llevan a cabo a través de un programa desar-rollado en LabVIEW e implantado en un orde-nador embebido de tiempo real NI-PXI. Este pro-grama se encarga de la inicialización de los manip-Figura 7: Plataforma CISOBOT dotada del in-strumento motorizado.uladores, y del env́ıo de las referencias de veloci-dad o posición a las controladoras de cada articu-lación del manipulador. De igual forma recibe lasposiciones y velocidades de cada articulación.En la zona de interfaz entre el efector final del ma-nipulador Robotnik y el instrumento motorizadose encuentra un sensor de esfuerzos fabricado porla empresa ATI Industrial Automation, en partic-ular el modelo Network Force/Torque Sensor Sys-tem o Net F/T. El dipositivo de control del sensor(DSP) proporciona un interfaz UDP, que ha per-mitido que este sensor se conecte directamente conla aplicación que se ejecuta en el PC.3.2 DISPOSITIVO HÁPTICOLa estación de teleoperación está basada en unapantalla que muestra la imagen del interior delabdomen, aśı como dos dispositivos hápticosPhantom Omni. Estos dispositivo ofrecen hastaseis grados de libertad y proporciona retroali-mentación de fuerzas de hasta 3.3 N. La tabla 4resume las caracteŕısticas principales del disposi-tivo háptico empleado.Tabla 4: Caracteŕısticas del dispositivo hápticoEspecificación DescripciónEspacio de trabajo 160 x 120 x 70 mmÁrea de la base 168 x 203 mmRigidez1.26 N/mm Eje X2.31 N/mm Eje Y1.02 N/mm Eje ZEl dispositivo háptico proprociona dos parámetrosXXXVIII Jornadas de Automática757Figura 8: Aritculaciones del dispositivo hápticoPhantom Omni.Figura 9: Representación de la orientación dellápiz del dispositivo háptico.denominados Joints y Gimbals para conocer laposición y orientación del lápiz que permite re-alizar los movimientos. Como se puede ver enla figura 8, los tres primeros grados de libertadvienen dados por los denominados Joints, mien-tras que los tres siguientes son los denominadosGimbals. Estos últimos serán los utilizados parael cálculo de la orientación. La orientación del dis-positivo háptico que se obtiene de dicho parámetrose corresponden con Roll, Pitch, Yaw como semuestra en la Figura 9.Por otra parte, este dispositivo también consta dedos botones en el lápiz. El primer botón se em-plea para activar los movimientos, es decir, el ma-Figura 10: Ejemplo de medida de la posición an-gular en la punta de instrumento.nipulador y el instrumento se moverán mientrasse mantenga pulsado el primer botón. El segundobotón se emplea para accionar el motor encargadode abrir y cerrar la pinza.Con respecto a la comunicaciónes, este dispositivoconsta de interfaz IEEE-1394 FireWire con la quese conecta directamente al PC. Debido a las lim-itaciones al emplear el entorno Simulink, las comu-nicaciones entre el sistema de control en Simulinky la estación de teleoperación se llevan a cabo através de una aplicación desarrollada que hace depasarela entre el dispositivo háptico y el PC. Es-tas aplicación se basa en la libreŕıa OpenHaptic,ofrecida por el fabricante.4 EXPERIMENTOSEn esta sección se detalla el experimento realizadosobre el prototipo del instrumento motorizado, elcuál tiene como objetivo representar la relaciónmotor-instrumento como se ha explicado anterior-mente.Para realizar este experimento se env́ıan consignasde ángulos al motor. Empleando un transportadorde ángulos en la punta (Figura 10) se compruebaposición angular de la punta del instrumento. Esteprocedimiento se ha repetido cada 5◦ en un rangode ángulos entre -45◦ y 45◦.Las figuras 11 y 12 muestran los resultadosobtenidos. Como se puede apreciar, el compor-tamiento de la punta de instrumento es bastantelineal en los extremos, sin embargo, se puede apre-ciar una pequeña zona muerta cuando el instru-mento se mueve alrededor de los 0◦.5 CONCLUSIONESEste art́ıculo ha presentado los nuevos desarrol-los llevados a cabo en la plataforma experimen-tal CISOBOT. En concreto, se ha ampliado estaplataforma añadiéndole un instrumento motor-izado capaz de mover su punta mediante teleop-eración. Los resultados muestran que la relaciónde movimientos de los motores del instrumento nose corresponden directamente con el movimientoque se realiza en la punta. Por este motivo se harealizado un experimento en el que se ha obtenidoeste relación para cada uno de los motores em-pleados. Por último, el instrumento ha quedadointegrado en la plataforma CISOBOT. El siguientepaso es el desarrollo de algoritmos que permitan larealimentación de fuerzas, aśı como proporcionarguiado háptico al operador. AgradecimientosA la Universidad de Málaga por el apoyo fi-nanciero del proyecto.XXXVIII Jornadas de Automática758-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50Ángulos Motor 0 (º)-50-40-30-20-100102030Ángulos Instrumento (º)Ángulos enviados al Motor 0 vs Ángulos reales en instrumentoFigura 11: Relación entre la posición angular ver-tical del motor paso a paso (Motor 0) y la puntadel instrumento.-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50Ángulos Motor 1 (º)-30-20-1001020304050Ángulos Instrumento (º)Ángulos enviados al Motor 1 vs Ángulos reales en instrumentoFigura 12: Relación entre la posición angular hor-izontal del motor paso a paso (Motor 1) y la puntadel instrumento.Referencias[1] Alzugaray López, Ignacio, Teleoperación demanipuladores robóticos, (2014) Universidadde Málaga.[2] Bauzano, E., Estebanez, B., Garcia-Morales,I., Muñoz, V. F., (2011) Robot quirúrgicoauto-guiado para ciruǵıa mı́nimamente in-vasiva en solitario. In Proc. Conf. Robot-Workshop, pp. 1-18.[3] Beasley, R. 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