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

Abstract

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.

The aim of this thesis is to design a cutting algorithm with controlled penetration with a scalpel, using a manipulator robot. This algorithm uses the cutting depth as a controlled variable, used to measure the scalpel penetration degree, and as a control signal it uses the angular speed reference sent to the servomotor that generates the vertical movement of the end effector of the manipulator robot. The algorithm also uses multiple constants that depend on the user’s criteria, such as tolerance factors, scaling factors, parameters that define the fuzzy sets, and others. This algorithm was designed to perform vertical cuts with the scalpel on flat soft tissue surfaces and focuses exclusively on controlling the penetration degree of the cuts, so it does not consider the analysis or control of the incision profile made by the scalpel during the incision, since it is not the aim of this research. This work did not include a study of the maximum ranges of achievable controlled cutting depths, using this algorithm; however, the tools used for the tests (scalpel, robot, sample, and others) made it possible to make incisions with cutting depth control references of up to 10mm. This algorithm was developed to control the cutting depth based on information extracted from images taken by a video camera located in a fixed position with a line of sight perpendicular to the scalpel blade. During the tests of the algorithm, the scalpel was hold by the end effector, designed and manufactured for this thesis work, which had the purpose of providing the ability to hold a scalpel to the manipulator robot. The algorithm is conformed of several sub-routines and its operation can be summarized in two stages. In the first, the scalpel penetration degree is estimated and in the second, the control signal is calculated. The estimation of the penetration degree is achieved by detecting the scalpel region within a sub-image extracted from an image taken by the video camera. This sub-image is obtained by locating three visual references placed on the scalpel handle, called color marks. The calculation of the control signal is performed using a PI-fuzzy controller (fuzzy integral proportional controller) in which the control gains, proportional and integral, are calculated using a fuzzy rule machine for each one. That controller was chosen after evaluating the operation of the PID, fuzzy and PI-fuzzy controllers, and finding that only the PID and PI-fuzzy controllers achieve the control specifications by obtaining settling times of less than 90 seconds and maximum percentage overshoots less than 25 %. The evaluation resulted in the choice of the fuzzy-PI controller, due to its greater implementation versatility. The controlled penetration cutting algorithm, performed in a computer program, was used to make controlled penetration cuts with a scalpel, using a manipulator robot. The cut-ting tests were carried out by making incisions with a scalpel on chicken breast samples. This kind of sample (chicken breast) was chosen due to its presence in the bibliography, as soft tissue, and its easy access in the local market. 10 incisions were made for each of the 3 references (5mm, 7.5mm and 10mm), for which a total of 30 tests were performed. The results of the tests showed that percentage relative errors of the controlled cutting depths between -33.00 % and 30.80 % were obtained; values that are similar to those in the literature. For its part, a Pearson correlation coefficient of 0.89 was obtained, which, being close to 1, showed a strong correlation between the controlled cutting depths obtained from the tests and their respective cutting depth control references. For these reasons, it was concluded that the results obtained from the application of the controlled penetration cutting algorithm were successful and, consequently, the main objective of the thesis was accomplished.