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Alumnos: Vaca, Alberto Sebastián; González Reyes, Reinaldo PPS Año: 2012

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOBA Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales Año: -2012

Informe de las primeras 100Hs “PPS – Lapabot Versión 2”

Cátedra: PPS Alumnos: Vaca, Sebastián González Reyes, Reinaldo

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CONTENIDO PLANTEO DEL PROBLEMA Y SOLUCIÓN ......................................................................................................................... 3 MODELO MECÁNICO ............................................................................................................................................... 4 IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO MECÁNICO .................................................................................................................... 5 ARTICULACIÓN ANGULAR ..................................................................................................................................... 5 SELECCIÓN DE MECANISMOS ............................................................................................................................ 5 LISTA DE MATERIALES MECÁNICOS ..................................................................................................................... 6 EJECUCION Y MECANIZADO .............................................................................................................................. 6 ARTICULACION TELESCÓPICA ................................................................................................................................ 7 SELECCIÓN DE MECANISMOS ............................................................................................................................ 7 LISTA DE MATERIALES MECÁNICOS ..................................................................................................................... 8 EJECUCION Y MECANIZADO .............................................................................................................................. 8 CONTROL DE SERVOMECANISMOS ............................................................................................................................ 10 SERVOMECANISMO ANGULAR .................................................................................................................................. 10 DIAGRAMA FUNCIONAL.................................................................................................................................. 10 ESQUEMÁTICO Y PCB MODULADOR-DRIVER MOTOR TT ............................................................................................ 11 SOFTWARE MODULADOR ............................................................................................................................... 12 CODIGO MICROCONTROLADOR ........................................................................................................................ 13 SERVOMECANISMO LINEAL ................................................................................................................................. 17 DIAGRAMA FUNCIONAL.................................................................................................................................. 17 EFECTOR FINAL: SENSORES DE FUERZA ...................................................................................................................... 18 CARACTERÍSTICAS DEL AMPLIFICADOR .................................................................................................................. 18 CONFIGURACIÓN ............................................................................................................................................. 20 FUENTE DE ALIMENTACION ..................................................................................................................................... 21 REQUERIMIENTOS ........................................................................................................................................... 21 PROTECCION DE LA FUENTE FUENTE ...................................................................................................................... 21 DIAGRAMA DE CONEXIÓN ................................................................................................................................... 22 CONCLUSIONES .................................................................................................................................................. 23

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PLANTEO DEL PROBLEMA Y SOLUCIÓN El Objetivo es la implementación un nuevo prototipo de un robot que asistirá al médico en las operaciones de laparoscopia, puntualmente cumplirá la función de sostener la cámara que se utiliza en dicha intervención evitando vibraciones que pudieran surgir de movimientos naturales del quien la sostiene y así mejorar la calidad de imagen. Debe ser capaz de comandarse en modo Teaching para facilitar su manipulación y acompañar algún movimiento natural del paciente. La utilización del modo de operación Teaching sobre robots sirve para sustituir en ciertos casos la unidad de control, como puede es ser una PC, en la ejecución de algunos movimientos, trayectorias y determinadas posiciones para cargarlas en la memoria interna de mismo. Esta operación se puede realizar de muchas maneras, de acuerdo a la infraestructura que se tenga; pero su principal ventaja es que no es necesario programar las posiciones y estados de los actuadores del robot desde la unidad de control. Se acceden a ellas mediante un control externo del robot, ya sea por sistemas de control de fuerza o posición, manipulada directamente por el operario. Como el mismo nombre lo indica, “Teaching” hace referencia a la posibilidad de enseñar, si así se lo quisiera decir, al robot a realizar determinados procedimientos, para que este luego los reproduzca bajo ciertas circunstancias. Nos da un grado de repetitividad de las acciones muy grande, es decir una gran precisión al realizar las mismas. En nuestro caso el modo de operación Teaching se llevará a cabo utilizando dos celdas de carga, que están instaladas en el extremo del brazo robótico, la cual nos dará la posibilidad de que el operario lo traslade y haga realizar maniobras convenientes, que a futuro el robot reproduzca. El control del operario debe realizarse en forma manual, y de tal manera que el mismo realice la menor fuerza posible. De tal manera el operario maniobrará como si no estuviera desplazando al brazo.

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MODELO MECÁNICO Dado que se debe respetar un área de acción circular en cono sobre el paciente y a demás pensando en que el sujetador del efector final (Cámara) es una articulación loca (muñeca de acción libre) para simplificación del control pensamos en un robot radial de dos grados de libertad el cual nos permita con muy pequeñas limitaciones ejecutar las superficies y áreas de trabajo como las que se muestran en la siguiente figura.

Entonces la morfología adoptada será la de un Robot de 2 grados de libertad polar como se puede apreciar en la siguiente figura sin el efector final, se puede ver que el control será mucho mas simple dado que cada celda de carga actuara prácticamente en forma lineal con su respectivo grado de libertad.

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Para la ejecución del efector final se empleara una muñeca de articulación pasiva en dos grados de libertad que permiten lograr la flexibilidad y facilidad de posicionamientos en la cámara en pequeños movimientos como los que se pueden ver en la siguiente ilustración. Dado que se tenía ya esta pieza de la versión anterior del Lapabot no se presentaran en este trabajo detalles de la misma, y solo se adaptara como efector final.

IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO MECÁNICO Para la construcción de los mecanismos se partió de los materiales que ya teníamos en el laboratorio y en nuestros hogares. Se requirieron a demás materiales extras que tuvimos que comprar para completar todas los modulos necesarios. Se ilustraran a medida que avancemos con el informe. ARTICULACIÓN ANGULAR SELECCIÓN DE MECANISMOS Para esta articulación (base del robot) se considero la necesidad de un mecanismo reductor y de gran robustez capaz de soportar todo el brazo de palanca e inercia de toda la parte superior del mismo (brazo telescópico) dado que esta es elevada, por lo que se hizo indispensable un mecanismo motriz de gran reducción, empleamos un motoreductor mas una reducción adicional para traccionar el eje de acción de la articulación cilíndrica, esto se logro colocándole un piñón en el eje del motorreductor acoplado a una corona dentada de alto diámetro para compensar el gran brazo de palanca. Dada también la necesidad de una estructura firme sin torsiones del material ni deformaciones del mismo, se aprovecho la disponibilidad de un eje de gran resistencia mecánica y dimensiones apropiadas, el cual fue fijado a la base con rodamientos reduciendo así los rozamientos.

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Conforme a lo decidido en cuanto a mecanismos se conformo la lista de materiales para llevar a cabo lo expuesto anteriormente:

LISTA DE MATERIALES MECÁNICOS

Nombre Pieza Eje Cilíndrico Principal Rodamientos Disco Base Inferior Disco Base Superior Pilares Base Patas Corona Motor TT Articulación Angular Piñón Placa Fijación Motor TT Tornillos y Tuercas

Piezas Mecanizado Articulación Angular Descripción Caño de acero: largo: 450mm, diámetro: 55mm. Diámetro interno: 55mm Diámetro 407mm, espesor: 6.3mm Diámetro 407mm, espesor: 3mm Cilindro macizo: Largo: 163mm, Diámetro: 13mm. Diámetro: 30mm, Altura: 16mm Diámetro: 105mm, Altura: 48mm Diámetro: 36mm, Altura: 78mm Diámetro: 34mm, Altura: 17mm Largo: 48mm, Ancho 80mm, espesor: 3mm Diferentes largos y diámetros

Cantidad 1 2 1 1 4 5 1 1 1 1 -

EJECUCION Y MECANIZADO Luego de gestionar las compras y en algunos casos recurrir al reciclaje de piezas se procedió al diseño de cada una de las piezas seguido de un ensamblaje y reajustes que en algunos casos derivo al redimensionamiento y rediseño de algunas partes. Se consiguió un resultado del mecanismo tal cual se aprecia en las posteriores imágenes y que cumplieron los objetivos mecánicos y cinemáticas requeridos en cuanto al motorreductor y demás sistemas de tracción.

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ARTICULACION TELESCÓPICA SELECCIÓN DE MECANISMOS Para la articulación telescópica (parte superior) se considero la necesidad de un sistema de acción lineal lo que conllevo a la selección de un mecanismo basado en tornillo sin fin y rieles de guía. Para la implementación de este sistema se dispuso de rieles con rodamiento lo que mejoro la carga en el motor DC seleccionado de gran velocidad y torque elevado (reciclado), estos fueron integrados en dos perfiles de aluminio rectangulares de dimensiones condicionadas por los rieles y varilla roscada cuyas dimensiones de longitud se adoptaron en función del área de trabajo de la versión anterior Lapabot 1, teniendo así un perfil exterior de soporte y fijación al eje de acción radial y un perfil interior móvil para la traslación lineal requerida a la cual se fijo una tuerca soldada al perfil para poder ejercer acción desde la rotación de la varilla a la articulación telescópica. Dado la elevada reducción de velocidad por el pequeño paso de la varilla comercial conseguida fue necesario emplear un motor DC cuya velocidad fuera elevada, sin ninguna reducción adicional. Conforme a lo decidido en cuanto a mecanismos se conformo la lista de materiales los cuales en algunos casos tuvimos que mecanizar para llevar a cabo lo expuesto anteriormente:

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LISTA DE MATERIALES MECÁNICOS

Nombre Pieza Perfil Rectangular Exterior Perfil Rectangular Interior Barra Roscada Tapa Trasera para Fijación Motor Placa Fijación Motor Acople Motor-Barra Roscada Tapa Trasera para Fijación Tuerca Rieles Guía a bolillas Base para Fijación en Caño Motor Tornillos y Tuercas

Piezas Mecanizado Articulación Telescópica Descripción Perfil Cuadrado Aluminio: largo: 500mm, lado: 60.6mm, Espesor: 1.8mm. Perfil Rectangular Aluminio: largo: 500mm, Lados: 40.5x20mm, Espesor: 1.8mm. Diámetro 8mm, Largo: 500mm Ancho 56.9mm, Alto: 56.9mm, Profundidad: 17mm Ancho: 100mm, Largo: 100mm, Espesor: 2mm. Diámetro: 12mm, largo: 20mm Ancho 16.9mm, Alto: 36.9mm, Profundidad: 12mm Ancho 76.6mm, Alto: 16mm, Largo: 119mm Ancho 407mm, Alto: , Profundidad: 3mm Diámetro: 105.5mm, largo: 44.9mm Diferentes largos y diámetros

Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 -

EJECUCION Y MECANIZADO Luego de gestionar las compras y algunos casos recurrir al reciclaje de piezas se procedió al diseño de cada una de las piezas seguido de un ensamblaje y reajustes que en algunos casos derivo al redimensionamiento, mecanizado, torneado y soldado de piezas. Se consiguió un resultado del mecanismo tal cual se aprecia en las posteriores imágenes y que cumplieron los objetivos mecánicos y cinemáticas requeridos en cuanto a l velocidad de desplazamiento y torque.

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CONTROL DE SERVOMECANISMOS SERVOMECANISMO ANGULAR Dado que este mecanismo fue accionado con un Motor DC (Motor TT) de 24V, 300mA medidos en funcionamiento, seleccionamos el Driver L293 que cumple con los requerimientos de tensión y corriente. A demás de este requerimiento teniendo en cuenta que los driver serán comandados por la placa de NI7344 de National Instruments surgen especificaciones de comunicación las cuales fueron llevadas a cabo preacondicionando de la señal de salida de la NI7344 con un microcontrolador PIC14KF50. Para este eje (Rotación angular) se tomo la salida analógica de la NI7344 que fue configurada el DAC de salida de -8V a 8V la cual es modulada por ancho de pulso para evitar excesivas disipaciones de calor en el Driver, lo cual es indispensable por que se opera en valores infinitos del rango de tensiones. A continuación se adjunta esquemático del sistema con sus componentes.

DIAGRAMA FUNCIONAL

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ESQUEMÁTICO Y PCB MODULADOR-DRIVER MOTOR TT

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SOFTWARE MODULADOR

Fsample = 22KHz; Factualizacion = 2.7KHZ; Vin(-)min = -10V; Vin(+)max = +10V; Fpwm = 17KHz; ADC = 10bits; PWM = 10bits.

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CODIGO MICROCONTROLADOR #include <18F14K50.h>#fuses PLLEN, INTRC_IO, NOLVP, NODEBUG, NOBROWNOUT, PUT, MCLR, NOMCLR, CPUDIV1, PROTECT, WDT, WDT4096 #use delay( clock = 32000000, restart_wdt ) #priority INT_TIMER0 void adquirirDatoAnalogico( int ); #byte REFCON0 = 0xFBA #byte REFCON1 = 0xFBB #byte REFCON2 = 0xFBC #byte ADCON0 = 0xFC2 #define AN3 0x0C #define AN4 0x10 #define AN5 0x14 #define AN6 0x18 #define AN7 0x1C #define AN8 0x20 #define AN9 0x24 #define AN10 0x28 #define SENIAL_ANALOGICA_NI AN9 #byte ADCON1 = 0xFC1 #byte ADCON2 = 0xFC0 #byte ANSELH = 0xF7F #byte ANSEL = 0xF7E #define SENTIDO_GIRO PIN_B6 #define CANT_ADQ_MAX 8 #define CW 0 #define CCW 1 #define MIN_VALOR_DAC 20 // de 1 a 1023 int1 realizarConversion; int16 acumuladorDatoAnalogico1; int16 adquisicionCanal1; int16 adquisicionCanal1Anterior; int cantidadAdquisiciones; int1 direccion; int1 direccionAnterior; int16 datoAnalogico; int1 nuevaAdquisicion; int canalLeido; 13

Alumnos: Vaca, Alberto Sebastián; González Reyes, Reinaldo PPS Año: 2012 int canalActual; int contador_SENTIDO_GIRO; int valor_acumulado_sentido_giro; #define MAX_CUENTA_SENTIDO_GIRO 32 void main(void) { delay_ms(500); setup_oscillator(OSC_32MHZ|OSC_PLL_ON); setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_32 | ADC_TAD_MUL_12 ); setup_adc_ports( sAN9|sAN8 ); REFCON0 = 0xF0; delay_ms( 100 ); // Sirve para estabilizar el amplificador del FVR ADCON1 = 0x08; setup_timer_2(T2_DIV_BY_1, 255, 1); setup_ccp1( CCP_PWM | CCP_PWM_FULL_BRIDGE | CCP_PWM_H_H ); set_pwm1_duty(adquisicionCanal1); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_1);// configura Timer0 para 2ms // setup_wdt( WDT_ON ); realizarConversion = 1; datoAnalogico = 0; nuevaAdquisicion = 0; canalLeido = 0; canalActual = AN9; acumuladorDatoAnalogico1 = 0; adquisicionCanal1 = 0; adquisicionCanal1Anterior = 0; cantidadAdquisiciones = 0; realizarConversion = 1; output_low( PIN_C2 ); output_low( PIN_C3 ); output_low( PIN_C4 ); output_low( PIN_C5 ); direccion = CW; direccionAnterior = CW; enable_interrupts( INT_AD ); enable_interrupts( GLOBAL ); while (TRUE) { restart_wdt(); if( realizarConversion )

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Alumnos: Vaca, Alberto Sebastián; González Reyes, Reinaldo PPS Año: 2012 { adquirirDatoAnalogico( SENIAL_ANALOGICA_NI ); realizarConversion = 0; } if( nuevaAdquisicion ) { output_toggle( PIN_C1 ); nuevaAdquisicion = 0; acumuladorDatoAnalogico1 += datoAnalogico; cantidadAdquisiciones++; if( cantidadAdquisiciones == CANT_ADQ_MAX ) { cantidadAdquisiciones = 0; adquisicionCanal1 = acumuladorDatoAnalogico1 / CANT_ADQ_MAX; acumuladorDatoAnalogico1 = 0; if( adquisicionCanal1 >= 1023 ) adquisicionCanal1 = 1023; } realizarConversion = 1; } if( adquisicionCanal1Anterior != adquisicionCanal1 ) { adquisicionCanal1Anterior = adquisicionCanal1; if( adquisicionCanal1 < MIN_VALOR_DAC ) { adquisicionCanal1 = 0; adquisicionCanal1Anterior = 0; set_pwm1_duty( adquisicionCanal1 ); } else set_pwm1_duty( adquisicionCanal1 ); } contador_SENTIDO_GIRO++; if( input_state( SENTIDO_GIRO ) == CW ) valor_acumulado_sentido_giro++; if( contador_SENTIDO_GIRO >= MAX_CUENTA_SENTIDO_GIRO ) { if( valor_acumulado_sentido_giro >= ( MAX_CUENTA_SENTIDO_GIRO MAX_CUENTA_SENTIDO_GIRO / 8 ) )

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Alumnos: Vaca, Alberto Sebastián; González Reyes, Reinaldo PPS Año: 2012 direccion = CW; else { if( valor_acumulado_sentido_giro <= ( MAX_CUENTA_SENTIDO_GIRO / 8 ) ) direccion = CCW; } contador_SENTIDO_GIRO = 0; valor_acumulado_sentido_giro = 0; } if( direccionAnterior != direccion ) { if( direccion == CW ) setup_ccp1( CCP_PWM | CCP_PWM_FULL_BRIDGE | CCP_PWM_H_H ); else setup_ccp1( CCP_PWM | CCP_PWM_FULL_BRIDGE_REV | CCP_PWM_H_H ); direccionAnterior = direccion; adquisicionCanal1 = 0; } } } void adquirirDatoAnalogico( int canal ) { int confADCON0; confADCON0 = ADCON0 & 0xC3 ; // Se copia ADCON0 en confADCON0 pero sin seleccionar ningun canal ADCON0 = confADCON0 | canal; // Se carga el canal indicado por "canal" en ADCON0 read_adc(ADC_START_ONLY ); // No hace falta ningun delay porque ya esta configurado por hard ( ADC_TAD_MUL_12 ) // El soft continua y terima la adquisicion cuendo el ADC interrumpe con la finalizacion return; } #INT_AD void isr_AD() { datoAnalogico = read_adc(ADC_READ_ONLY ); nuevaAdquisicion = 1; canalLeido = canalActual; canalActual = SENIAL_ANALOGICA_NI; }

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SERVOMECANISMO LINEAL Para la motorización de este grado de libertad se dispuso de un motor de continua de 24V y corriente de frenado de 6A, los cuales entraban dentro de las especificaciones permitidas del Driver comercial del cual se disponía, Geckodrive G340 que proporciona hasta 20A y tensiones desde 18 a 80V, que permitió un lazo de control interno de corriente y posición convirtiendo el motor DC en un motor Paso a Paso desde el punto de vista de las señales de comando. Este Servocontrolador además dispone de presets de ajuste de un PID interno y limitador de corriente que fueron calibrados según nuestro sistema siguiendo las indicaciones del fabricante, por otra parte los comandos de control se adecuan a las salidas de la placa NI7344 cuyo eje fue configurado como motor Paso a Paso, obteniendo así un comando de pulsos para dar la posición de avance y velocidad y otro comando de sentido de rotación del motor, ambas ópticamente aisladas y de tecnología TTL. Se configuraron las entradas TTLs del driver para conseguir compatibilidad con las salidas digitales del controlador NI7344 dado que eran de colector abierto. Para el cierre final del lazo de posición, dado que se tenían límites mecánicos que se debían respetar se instalaron sensores Optoswitch accionados por los límites telescópicos de máxima y mínima prolongación permitidos, que posteriormente fueron empleados en el proceso de calibración inicial de referencia.

DIAGRAMA FUNCIONAL

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EFECTOR FINAL: SENSORES DE FUERZA Los sensores de fuerza se implementaron con celdas de cargas de 2KgF cada una y ubicadas una en sentido radial y la otra en sentido tangencial. Estas celdas tienen una sensibilidad de 0.16634mV/N según mediciones realizadas con anterioridad. Para su estudio, amplificación y medición se utilizó un trabajo que se realizo previamente en la versión 1 de Lapabot por lo que solo nos concentramos en su correcta polarización para su posterior utilización y una modificación en la ganancia utilizada. CARACTERÍSTICAS DEL AMPLIFICADOR La etapa de amplificación se realizo con la placa LJTick-inAmp la cual provee una ganancia configurable, alimentación regulada para las celdas y dos canales de amplificación.

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Con el dipswitch se configura la amplificación elegida y otras características que se describen a continuación: Switch # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nombre BxR32 Bx11 Bx52 Bx201 0.4V 1.25V AxR17 Ax11 Ax51

Ax201

Descripcion Custom gain determined by R32 Gain of 11 Gain of 51 Gain of 201 Output offset of +0.4 volts. Output offset of +1.25 volts. Custom gain determined by R17 Gain of 11 Gain of 51 Gain of 201

Applies to channel B only. All off equals a gain of 1.

Voffset applies to both channels. Switch # 5 or 6 should always be on, but not both. Applies to channel A only. All off equals a gain of 1.

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CONFIGURACIÓN Se eligió amplificar con una ganancia de 252 que se consiguió activando los switch 3y4 para el canal B y el 9y 10 para el canal A. También se eligio un offset de 1.25V con el switch 6. Co esto obtuvimos una tensión máxima de salida de (variación respecto de 1.125V ): Vout(+-) = 1.6634mV *9.81 * 2 * 252 = 822.4mV. Esta variación en la salida es considerada suficiente para poder ser medida con buena precisión en las etapas siguientes.

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FUENTE DE ALIMENTACION REQUERIMIENTOS Los requerimientos de todos los dispositivos drivers y controladores del robot son los siguientes: Dispositivos Geckodrive G340 Driver Motor TT Placa de Control Celda + Acondicionador

Consumos de dispositivos Tensiones 24V 24V 12V, -12V, 5V -----------------

Corrriente Max (aprox) 6A 1A 20mA, 20mA, 100mA 20mA

Con estos requerimientos y la disponibilidad de fuentes de PC, se decidió emplear dos fuentes de PC cuyas tensiones de 12V se conectaron en serie para lograr los 24V Necesarios. Los 12V, -12V y 5V se conectaron directamente de los mismas salidas de la fuente. En cuanto a las corrientes, estas fuentes dispuestas de esta forma nos entregan 24V 12A, 12V 12A, 5V 30A y -12V 500mA, que son suficientes para cumplir con los requerimientos de tensión y potencia necesarios. PROTECCION DE LA FUENTE FUENTE La protección dela fuente contra descargas inductivas provenientes de los motores se realizo mediante un circuito recomendado por el fabricante del driver Geckodrive. Este circuito disipa la energia que de otra manera se disiparía en la fuente. Este circuito es imprescindible en este tipo de cargas.

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DIAGRAMA DE CONEXIÓN

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CONCLUSIONES Después de realizar la gestión para conseguir los materiales necesarios, el reciclado de materiales, el diseño de placas necesarias como driver, acondicionadores, placas para conectores, mecanizado, cableado, puesta a punto de los mecanismos, prueba de motores y sensores, se llego a la conclusión de que estábamos en un proyecto de gran envergadura y que es indispensable integrar al grupo de trabajo gente relacionada con la mecánica y la bioingeniería para llegar a un estudio aun mas completo de algunas partes del trabajo, pero que no nos impedía realizar nuestras tareas y dejando las otras para un nuevo prototipo. Las primeras conclusiones en lo que respecta estrictamente a la electrónica fue que pudimos apreciar la gran ventaja en la utilización del driver comercial Geckodrive comparado con el diseñado por nosotros mismos para el motor TT en lo que respecta al control. También nos queda como experiencia los grandes beneficios de una buena planificación en lo que respeta a las tareas en general y en especial en la tarea de gestión de compras. Una mejora que consideramos puede ser beneficiosa a futuro es el rediseño de las placas realizadas apuntando a sacar provecho de nuevas dimensiones que se les podría dar y una distribución más optima de los circuitos en las placas. A continuación se exponen imágenes de los resultados obtenidos hasta esta etapa:

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