Compensação de movimentos fisiológicos para cirurgia robótica

Abstract

Neste documento é apresentado o desenvolvimento de um simulador do manipulador robótico 7-DOFWAM. Neste simulador é feita também a detecção de contactos entre ferramentas acopladas ao end-effector do robô e objectos virtuais com os quais o mesmo interage. São também calculadas as forças de contacto resultantes dessa interacção. Para a simulação das forças de contacto é utilizado um método que recorre à voxelização, executada na GPU, dos modelos gráficos dos objectos. A determinação do plano de incidência de uma ferramenta num objecto é feito através do método dos mínimos quadrados totais para planos. Para efectuar a compensação de movimentos aplicados aos objectos virtuais, é apresentada uma arquitectura de controlo preditivo baseada num modelo linear do manipulador. A linearização do modelo dinâmico do robô é feita através de feedback não linear. Foram realizados dois testes com o controlador implementado. No primeiro utilizou-se um plano virtual com um movimento de translação oscilatório. No segundo teste foi utilizada uma esfera virtual com movimento de expansão/ contracção, também oscilatório, e o feedback de força foi obtido pelo método de simulação de forças de contacto proposto neste trabalho. É também apresentado o desenvolvimento de uma arquitectura de software/hardware que permite controlar remotamente a ferramenta médica cujo modelo virtual foi utilizado no simulador.

This document presents the development of a 7-DOF WAM robot simulator. This simulator also preforms the contact detection between tools coupled to the robot end-effector and virtual objects with which it interacts. It’s also performed the calculation of the contact forces which result from this interaction. A GPU computed voxelization of the objects graphical models is used for the simulation of contact forces. The method of total least squares is used to determine the plane of incidence. To perform motion compensation on the virtual objects, a linear predictive control architecture based on a linear model of the manipulator is presented. The linearization of the dynamic model of the robot is done through nonlinear feedback. Two tests were performed with the implemented controller. The first one uses a virtual plane with an oscillating translation. In the second test it was used a virtual sphere with an expansion/contraction oscillating movement, and the force feedback was obtained through the simulation of contact forces presented in this work. It’s also presented the development of a software/hardware architecture which allows the remote control of the medical tool whose virtual model was used in the simulator.