Modelado, simulación en 3D y control de un robot para cirugía laparoscópica

Abstract

El proyecto “Modelado, Simulación en 3D y Control de un Robot para Cirugía Laparoscópica” es desarrollado en la Universidad del Cauca (Colombia) por el grupo de investigación en Automática Industrial, representado por el autor y el director del mismo. Se han desarrollado diferentes soluciones para aplicar la robótica en la medicina con gran éxito, logrando igualar y algunas veces mejorar los procedimientos médicos sin robots. Específicamente en cirugía mini-invasiva a nivel abdominal (laparoscopia), se han diseñado robots como Da Vinci, Zeus, Endobot, Black Falcon, Endovia, entre otros, que tienen estructuras seriales abiertas o cerradas, con ventajas y desventajas particulares; sin embargo lo que tienen en común es que han sido diseñados y construidos en países desarrollados. LapBot (Robot para Laparoscopia) es el robot diseñado en este proyecto, basado en el análisis de las estructuras de los robots antes mencionados. Se modela matemáticamente a nivel geométrico y dinámico para comprobar que puede desempeñarse en cirugías laparoscópicas, pasando a través de un punto estático en el espacio cartesiano que representa la incisión realizada al paciente en el abdomen. Para verificar la dinámica de LapBot y demostrar su utilidad, se diseña y sintoniza un controlador por par calculado (CTC) que permita obtener un error cartesiano menor a un milímetro en el seguimiento de trayectorias de prueba y de procesos quirúrgicos de una colecistectomía (cirugía mini-invasiva para extraer una vesícula biliar enferma). La simulación tridimensional de un sistema electromecánico es importarte para observar el comportamiento del mismo ante diferentes situaciones reales o no reales, e identificar posibles mejoras o soluciones a problemas que pudiesen presentarse al construir un prototipo físico de dicho sistema. Para el sistema robótico LapBot se desarrolla un ambiente tridimensional usando el programa de representación gráfica por computador Ogre3D, que permite la comunicación en modo cliente-servidor con Matlab, programa en el cual se realizaron todas las pruebas con el controlador. El ambiente 3D muestra dos brazos de LapBot realizando los movimientos de una colecistectomía real, a través de dos orificios de una caja que representan las incisiones realizadas en el abdomen del paciente. El simulador usa los modelos matemáticos del robot, permite ver la escena desde diferentes puntos de vista y funciona con las dos principales interfaces de programación de aplicaciones gráficas (OpenGL y Direct3D).

The “Modeling, 3D Simulation and Control of a Laparoscopic Surgery Robot” project is developed in the Cauca University (Colombia) by the Automatic Industrial investigation group. In this project, the author and director are representing the group. The robotics has been applied in medicine with excellent results, it has obtained equalize and sometimes improve medical procedures without robots. To specify, the Da Vinci, Zeus, Endobot, Black Falcon and Endovia robots are designed for miniinvasive surgery and they can to do abdominal surgery (laparoscopy). These robots contain open or close serial structures, with their advantage and disadvantage. But these robots have been designed and constructed by development countries. LapBot (Laparoscopic Robot) is designed in this project; the design is based in a structural analysis of the above-mentioned robots. LapBot was modeled (geometric and dynamic models) to study its performance in laparoscopic surgeries, the robot should cross over a static point in the cartesian space. This point represents the abdominal patient incision. We have designed and tuned a Computed Torque Control (CTC), the purpose is to verify the LapBot dynamic and to demonstrate its utility. The robot tracks probe trajectories and cholecystectomic processes (mini-invasive surgery did to reject a gall bladder sick). It permits to obtain a cartesian error less to one millimeter. The three-dimensional simulation of an electro-mechanic system is important to regard its performance in view of real or unreal situations and to detect possible improvements or problems solutions. Therefore, its possible constructs a good physic prototype without said problems. For the LapBot system, we have developed a three-dimensional environment using Ogre3D (graphic computer representation software), it permits the server-client communication with Matlab software. The control system was probed totally in Matlab. The 3D environment has two LapBot arms doing cholecystectomic real movements across two orifices in a box, this orifices represents the patient abdomen incisions. The simulator uses the robot mathematical models, permits different view points of the scene and runs with two graphical Application Programming Interfaces (OpenGL and Direct3D).