Diseño y desarrollo de un catéter robótico con sensor háptico

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Proyecto Fin de Master Master en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Diseño y desarrollo de un catéter robótico con sensor háptico Autor: Almudena Bravo Gañán Tutor: Ángel Rodríguez Castaño Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Proyecto Fin de Master Master en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Diseño y desarrollo de un catéter robótico con sensor háptico Autor: Almudena Bravo Gañán Tutor: Ángel Rodríguez Castaño Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Proyecto Fin de Master Master en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática: Diseño y desarrollo de un catéter robótico con sensor háptico Autor: Almudena Bravo Gañán Tutor: Ángel Rodríguez Castaño El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Resumen La cirugía mínimamente invasiva (MIS) se lleva a cabo con pequeñas incisiones para la navegación de instrumentos desde la piel hasta la zona de interés, con el objeto de realizar ya sean intervenciones, diagnósticos o como transportador de otros dispositivos que de por si no son capaces de llegar a dicha zona por sus propios medios. En este contexto se presenta un prototipo de robot autónomo tipo catéter, para la realización de estas operaciones. El prototipo desarrollado es capaz de realizar una navegación autónoma a través del seguimiento de paredes por medio de la visión háptica. También presenta la capacidad de maniobrar con la punta por si se requiere una vez llegado al lugar indicado, gracias al sistema de posicionamiento de la punta. Además cuenta con un sistema de empuje diseñado para mover longitudinalmente el catéter para introducirlo conforme sea necesario en el interior. I Abstract Mi nimally invasive surgery (MIS) is performed with small incisions for the navigation of instruments from the skin to the area of interest, in order to perform either interventions, diagnostics or as a transporter of other devices that are not able to reach the area by their own means. In this context, a prototype of an autonomous catheter-type robot is presented for performing these operations. The developed prototype is capable of autonomous navigation through wall tracking by means of haptic vision. It also presents the ability to maneuver with the tip in case it is required once it has reached the indicated place, thanks to the tip positioning system. It also has a push system designed to move the catheter longitudinally to introduce it as needed inside the catheter. III 2Capítulo 1. Introducción • Establecer un sistema que permita el movimiento de la punta del catéter flexible, posibilitando su manejo en todos los ángulos y dotándole de mayor alcance a esta parte para posibles operaciones posteriores. • Diseñar una plataforma motorizada que, gobernada por el sensor háptico de visión empuje al catéter al interior de la cavidad. •Desarrollo de un control de posición que permita gobernar el motor en cuestión. Para ello se comienzan realizando experimentos básicos que irán tomando forma a lo largo del tiempo hasta lograr un catéter que gracias al algoritmo de seguimiento de paredes por medio de la segmentación de imágenes detectará la pared y la seguirá, pudiendo maniobrar con la punta del catéter gracias a una columna vertebral acoplada al extremo en la que se encuentran colocados a intervalos igualmente espaciados 120 grados [ 5 ] [ 6 ], que le permite una libertad total de movimiento, una aleación super-elástica de níquel y titanio (NiTi) la cual es conocida como Nitinol y podría semejarse a los tendones ya que son capaz de contraerse como un músculo al paso de corriente, cuando esta es lo suficientemente alta. Los “tendones” de Nitinol pueden colocarse en diferentes intervalos como ya hicieran [7] [8] entre otros. 1.3 Estructura del Documento El presente documento se desglosará en distintos cápitulos los cuales explicarán de forma detallada las partes que lo forman. • En el Capítulo 2 se hará una recopilación de las diferentes técnicas que pueden encontrarse en las intervenciones mínimamente invasivas. Además se comentarán las técnicas, software y hardware utilizados en la consecución del objetivo del presente proyecto. • En el Capítulo 3 se llevará a cabo la explicación detallada del prototipo realizado y cómo se ha desarrollado. En él se verán los sistemas que conforman el catéter y las funciones que desempeñan cada una de estas partes para dar lugar, en su conjunto, a un catéter autónomo flexible con aplicación de navegación háptica. • En el Capítulo 4 se mostarán los experimentos realizados, tanto previamente al montaje final del catéter por medio de estructuras de prueba como posterior a su montaje y desarrollo para verificar su alcance y capacidad. •En el Capítulo 5 se expondrán las conclusiones así como las líneas futuras del presente proyecto. 2 Preliminares 2.1 Estado del arte Lo s métodos mínimamente invasivos tienen como objetivo analizar el tejido de interés, preservando la integridad de este, empleando herramientas de cirugía conducidas a través de orificios naturales del cuerpo o pequeñas incisiones. [ 9 ] Pueden ser usados tanto para el intervencionismo como para el diagnóstico cardiovascular y seguimiento posterior [ 10 ]. Estos métodos minimizan el trauma físico del paciente y el tiempo de recuperación. Los instrumentos quirúrgicos flexibles se utilizan sobre todo en cirugías laparoscópicas; por ejemplo, angiografía, angioplastia y arterial, aortoilíaca, renal, femoropoplítea e infragenital. Estos complejos procedimientos tienen en común la precisión de la navegación del catéter, necesaria para el éxito del tratamiento [11]. Con respecto a los dispositivos del tipo catéter se ha definido por [ 12 ] como un tubo o cable largo, fino y flexible. Los catéteres pueden ser clasificados de múltiples formas según [ 12 ]. Según el principio de actuación, es decir, qué es lo que impulsa o conduce al catéter, pueden ser por tendones, navegación magnética, materiales blandos o híbridos; según el número de secciones en las que se alojan los actuadores un catéter puede ser de sección única, como a la izquierda en la Figura 2.1, en la que solo hay una sección donde se encuentran colocados los actuadores, mientras que a la derecha en la Figura 2.1 se aprecia como el accionamiento se encuentra en distintos puntos del catéter; según el espacio de trabajo, es decir, en función del movimiento o alcance que puedan efectuar, es decir si se mueven en un plano xy o se mueven en un plano xyz como es el caso de los catéteres espaciales; según las aplicaciones médicas para las que se han diseñado, ya que dependiendo de ésta se determinará el díametro del catéter, su longitud, la forma de la punta, si es más o menos flexible, etc. Se puede ver un resumen de esta clasificación en la Tabla 3.5. Tabla 2.1 Clasificaciones catéteres según [12]. Clasificación Principio de actuación Tendones Navegación magnética Material blando Híbrido Nºde secciones en las que se alojan los actuadores Sección Única Multi-sección Espacio de trabajo Planos Espaciales Aplicaciones médicas Diámetro Longitud Forma de la punta 3 4Capítulo 2. Preliminares Además se ha querido hacer una clasificación de referencia sobre los medios de actuación de los catéteres, que puede ser revisado con mayor profundidad en [13] [12]. Figura 2.1 A la izquierda: Accionamiento por tendones con sección única [ 14 ]. A la derecha: Accionamiento por tendones con múltiples secciones, en este caso dos. [15]. Figura 2.2 A la izquierda: Prototipo actuador magnético pasivo. [ 16 ]. A la derecha: Catéter desarrollado con SMA. [17]. Figura 2.3 A la izquierda: Catéter de tubos concéntricos desarrollado para una intervención cardiovascular [4]. A la derecha: rototipo catéter impulsado por polímero conductor - estructura básica. [18] . Según [ 12 ] los catéteres pueden ser accionados por tendones, por navegación magnética, materiales blandos o híbridos. Para el tipo de catéter que aquí se va a desarrollar, los accionados por tendones (Figura 2.1) son de especial interés. Consiste en un conjunto de tendones antagónicos que sirven para controlar la orientación de la punta distal del catéter dirigible, suelen tener una única columna vertebral que se compone de distintos materiales como muelles, tubos elásticos y polímero trenzado. Entre los materiales usados como "tendones" destaca el uso del nitinol (NiTi). Como se puede apreciar en la Figura 2.4 los catéteres de sección única tienen diferentes opciones de colocación de los tendones. Se puede colocar un solo tendón que permita el movimiento del extremo del catéter unicamente hacia un lado prefijado, si se colocan dos tendones de material super-flexible a 180 º se podrá manejar el catéter en dos direcciones diferentes, mientras que si se colocan tres tendones a 120 º el uno 2.1 Estado del arte 5 del otro formando un triángulo equilátero con ellos, se puede manejar el extremo de éste en todos los ángulos y tendría una excelente maniobrabilidad. Al igual que ocurre con la opción (d) en la que los tendones se encuentran equidistantes entre sí 90º. Figura 2.4 Distinto número de tendores en una sola sección. Los catéteres con sección múltiple, en la que cada una es dirigida por un grupo de tendones cuentan con dos formas de acoplar estas secciones, colocadas conjuntamente o distribuidas. En las que las secciones se colocan conjuntamente los tendones de la sección proximal y distal comparten la misma vía, mientras que el acoplamiento distribuido los tendones de cada sección tienen sus propias vías. Un catéter de secciones colocadas conjuntamente poseerá menor diámetro y a su vez menor destreza que las colocadas de forma distribuida. En lo referente a accionamiento por navegación magnética, el catéter con la punta distal magnética se dirige dentro del cuerpo del paciente colocando varios imanes grandes a ambos lados, lo que genera un campo magnético alrededor del mismo. Los médicos pueden controlar la distribución del campo magnético para desviar la punta distal del catéter dentro del cuerpo del paciente en la dirección deseada. Este tipo de accionamiento puede ser activo o pasivo, se explicará en mayor profundidad en la sección 2.1.2 en el que se hablará del guiado externo por acción magnética. Un ejemplo de este accionamiento puede verse en la Figura 2.2. Los catéteres accionados por materiales blandos, de los que se dice que estos materiales son inteligentes, destacan las aleaciones con memoria de forma (SMA) las cuales son capaces de doblarse de forma continua a través de sus propias estructuras. Entre ellos también vuelve a destacar especialmente los de la familia del nitinol, ya que son como se dijo anteriormente superelásticos, biocompatibles, con gran capacidad de recuperación y gran resistencia a la torsión. El accionamiento por medio de materiales blandos con efectos de memoria de forma se acionan únicamente como producto de la propia SMA, es decir, que el catéter se dobla y encoge debido a la fuerza generada por los actuadores de SMA cuando se calienta. En la Figura 2.2 se ve un ejemplo. No es el caso del accionamiento por medio de materiales blandos con efecto parcial de memoria de forma en el que también se aprovechan las propiedades de superelasticidad y de recuperacion de grandes tensiones de estos materiales de SMA pero no se realiza ningún proceso de calentamiento como si ocurre en los previamente mencionados. Otra forma de dirigir el catéter es a través de los tubos concéntricos, formados por un conjunto de tubos flexibles incrustados entre sí, sus formas se deciden por las curvaturas mutuamente resultantes porque tienen la misma rigidez. Mediante la traslación y la rotación de los tubos entre sí, sus curvaturas y la longitud total de los tubos pueden variar. Se fabrican normalmente con Nitinol en su fase superelástica. Se les puede dar la forma deseada mediante el tratamiento térmico antes del montaje. Un ejemplo lo encontramos en [ 4 ] cuyo catéter se ilustra en la Figura 2.3. Los catéteres también pueden ser accionados por polímeros conductores ya que estos poseen la característica de cambiar de forma tras ser dopados electroquímicamente. Cuando los iones se introducen en estos polímeros de forma axial estos cambian sus volúmenes axialmente, cuando los iones se introducen transversalmente, los poímeros se doblan. Estos polímeros se denominan electroactivos (EAP). Un ejemplo de ellos se muestra en la Figura 2.3. Además los catéteres pueden estar compuestos por uno o varios fuelles hidráulicos y las puntas distales ser 6Capítulo 2. Preliminares dirigidas por la presión hidráulica de estos fuelles. La variación de la presión hidráulica dentro de los fuelles modifica su longitud y por tanto, la flexión del catéter. Estos son los catéteres clasificados por accionamiento mediante presión hidráulica dentro de los accionados por materiales blandos. Comentar que los catéteres híbridos son aquellos que combinan dos actuadores principales, la navegación magnética y de materiales blandos. Esta clasificación puede encontrarse resumida en la Tabla 2.2. Tabla 2.2 Clasificaciones catéteres por principio de actuación y ejemplos encontrados en la literatura.. Principio de Actuación Tipos Ej. en la literatura Tendones Sección Única [7] [14] Múltiples Secciones [15, 19] Navegación Magnética Actuación Pasiva Niobe ®ES, [16] Actuación Activa [20][21] [22] Materiales blandos Con efectos de memoria de forma [23, 17] Con efecto parcial de memoria de forma [24] Tubos concéntricos [4] Impulsados por polímeros conductores [18] Por presión hidráulica [25] Híbridos Combinan navegación magnética y materiales blandos [26] Para enfocar de una manera más exhaustiva el trabajo que se ha realizado en este proyecto, se desea hacer una clasificación diferente de los catéteres flexibles en función del guiado. Cabe aclarar que el catéter dirigible se refiere al catéter que es manipulado por un mecanismo que puede ser accionado por operadores o por actuadores (es decir, automáticamente). El catéter dirigible tiene, por tanto, muchas ventajas sobre el convencional. La desviación de la punta distal del catéter orientable es más controlable, con posibilidad de control remoto. [ 12 ]. Entre los tipos de guiádos de los catéteres flexibles se destacan los manuales, externos, autónomos e híbridos. 2.1.1 Guiado Manual Aunque el acceso a las zonas suele ser técnicamente factible, dirigir y colocar manualmente los catéteres en el vaso objetivo es un reto e implica que el clínico reciba una formación costosa y requiere mucho tiempo [ 27 ]. El manejo manual hace que la precisión de la dirección dependa en gran medida de la capacidad del médico. En la Figura 2.5 se puede ver un ejemplo de estos. En la imagen se puede ver como es un instrumento de pequeña extensión el cual es introducido y manejado desde el exterior por el sanitario para ejercer siendo vital la presión efectuada por éste en los tejidos por los que se mueve el instrumento. Figura 2.5 Colonoscopio. 2.1 Estado del arte 7 2.1.2 Guiado Externo Los catéteres magnéticos están compuestos de varios componentes magnéticos o ferromagnéticos, por ejemplo, esferas ferromagnéticas, microbobinas orientables, imanes permanentes simples o múltiples unidos al cuerpo o a la punta del catéter y catéteres continuos fabricados con un material blando ferromagnético. Todos ellos cuentan con un sistema externo capaz de generar un campo magnético que guiará el catéter dentro del cuerpo del paciente hacia el lugar que sea requerido. [ 13 ]. Entre ellos, destacan para la fabricación de estos catéteres los imanes permanentes. El accionamiento puede ser considerado activo o pasivo. El accionamiento activo se basa en la interacción entre dipolos magnéticos variables generados por microbobinas o esferas ferromagnéticas, el campo magnético proporcionado por los escáneres de MR. El accionamiento pasivo los electroimanes son capaces de capaces de producir campos magnéticos orientables, dependientes de la corriente que fluye a través de los bobinados de la bobina. Por lo tanto, varios electroimanes pueden proporcionar una actuación pasiva en diferentes direcciones. La dirección de los catéteres accionados magnéticamente se logra mediante la torsión causada por la fuerza de Lorentz en el cuerpo flexible del instrumento. El momento de flexión interno resultante se propaga a lo largo del catéter hacia su base, en correlación con la teoría de la viga de Euler-Bernoulli. Al controlar las torceduras magnéticas, el usuario puede conducir la deflexión del catéter para lograr la configuración deseada del dispositivo, expresada a menudo en términos de la postura de la punta del catéter [ 13 ]. El ejemplo del catéter de acción pasiva puede encontrarse en (c) de la Figura 2.6 . 2.1.3 Autónomo La navegación autónoma (sin manejo por parte de un médico especializado) puede liberar al cirujano de la realización de tareas difíciles o rutinarias, para que pueda centrarse en planificar y llevar a cabo el despliegue de los dispositivos. Para navegar con seguridad con el catéter, es necesario poder determinar su ubicación y controlar las fuerzas que aplica al tejido. La navegación autónoma básicamente consiste en proveer al catéter de las suficientes herramientas de procesamiento para que pueda tomar decisiones de manera autónoma que le hagan llegar al lugar de destino. El ejemplo de este tipo de catéter y en el que en este proyecto centra todo su interés, ya que conforma la base de la idea que se desea desarrollar, lo encontramos en [ 4 ] en el que se construye un catéter autónomo capaz de moverse por medio de un corazón bombeando sangre gracias a la visión háptica y algoritmos tigmotácticos, creando un contacto de baja fuerza con el tejido, hasta alcanzar la ubicación objetivo. Véase la Figura 2.6. Figura 2.6 Catéter autónomo desarrollado por [ 4 ], a la izquierda el esquema de la estructura completa, a la derecha la punta del catéter. . Para que un catéter robótico autónomo pueda navegar por el interior del tejido humano desde la pequeña incisión que se hace para introducirlo hasta el lugar dónde se realice la intervención o la misión que tenga por objeto, éste debe poseer un sistema de navegación capaz de identificar el tejido dónde se encuentra y poder desplazarse de manera lógica según un algoritmo previamente diseñado. “La visión háptica combina la endoscopia intracardiaca el aprendizaje automático y los algoritmos de procesamiento de imágenes para formar un híbrido de imágenes y sensor táctil, que proporciona imágenes claras de lo que toca la punta del catéter y, al mismo tiempo, identificar lo que está tocando (por ejemplo, sangre, tejido y válvula) y la intensidad de la presión.” [4]. Es en esta definición en la que se va a basar el trabajo que se realiza en este proyecto, el cual va a desarrollar de una aplicación de navegación a partir de un sensor háptico el cual se ha ideado basándose en la propuesta de [4]. 8Capítulo 2. Preliminares 2.2 Herramientas Utilizadas 2.2.1 Software Utilizado • EPOS Studio: Con el que se configura el controlador digital de Maxon Motors, EPOS 4 24/1.5 compact CAM. • MATLAB ® : Plataforma con la que se ejecutan los algoritmos pertenecientes al seguimiento de paredes y visión. • SIMULINK ® : Plataforma con la que se simulará el modelo y en el cual convergerán todos los modelos que se realizan por separado. •Técnicas de segmentación de imágenes por umbral del color. EPOS Studio Es un entorno desarrollado por Maxon Motors con el cual se puede configurar los parámetros de regulación del controlador digital. Figura 2.7 Entorno Epos Studio. MATLAB®& SIMULINK® SIMULINK ® es un entorno de programación de más alto nivel de abstracción que el lenguaje interpretado MATLAB ® (archivos con extensión .m). SIMULINK ® genera archivos con extensión .mdl Además en el puedes programar funciones de MATLAB®las cuales serán llamadas cada tiempo de simulación. Figura 2.8 Entorno SIMULINK®con opción a insertar código de MATLAB®. 2.2 Herramientas Utilizadas 9 Técnica de segmentación Espacio de color CIE L*a*b El color tiene una percepción e interpretación subjetiva. Dos personas mirando un mismo objeto pueden expresar de diferente forma y palabras el color que consideran observar, es por ello que se definen espacios de color con los que se puede comunicar el color objetivamente conforme a un estandar. Un espacio de color no es más que un método de expresión del color de un objeto mediante, por ejemplo, números. La Organización Internacional de la Iluminación, CIE por su nombre en francés Commission Internationale de L’éclairage, define espacios de color. Estos pueden expresarse en términos de matiz, brillo y saturación. Hay múltiples espacios de color en los que un determinado color de una imagen puede ser caracterizado. El espacio RGB viene definido por la mezcla de valores de intensidad de tres colores primarios, rojo, verde y azul. El espacio de color HSV trabaja con tres componentes básicas: matiz, saturación y brillo. El histograma bidimensional V/S, es un histograma de dos variables cartesianas, luminancias y saturaciones. Su finalidad, radica en que proporciona un mecanismo sencillo e intuitivo para separar la información cromática de la acromática. El espacio de color L*a*b* fue modelado en base a la teoría que establece que dos colores no pueden ser rojo y verde al mismo tiempo o amarillo y azul al mismo tiempo. Por lo tanto se definen tres variables que caracterizarán en color de una región, objeto o imagen. L*=luminosidad. a*= coordenadas rojo/verde (+a indica rojo, -a indica verde). b* = coordenadas amarillo/azul (+b indica amarillo, -b indica azul). Figura 2.9 Espacio de color CIE L*a*b. Por tanto este espacio de color CIE L*a*b no es más que otra forma de caracterizar un color, y es el elegido para la aplicación que se va a desarrollar en los capítulos posteriores. Desarrollo de la técnica de segmentación por umbralización La segmentación de imágenes es un paso fundamental para la comprensión de la estructura y la identificación de los objetos en una escena. La diferenciación de las áreas de una imagen, que se corresponderán con zonas homogéneas y/o regiones importantes conocidas como objetos semánticos, es a menudo establecida como el primer paso en muchas aplicaciones basadas en objetos. Los algoritmos de segmentación de imagen generalmente se basan en dos propiedades básicas de los niveles de gris de la imagen: discontinuidad y similitud. Dentro de la primera categoría se intenta dividir la imagen basándose en los cambios bruscos en el nivel de gris. Las áreas de interés en esta categoría son la detección de puntos, de lineas y de bordes en la imagen. Las áreas dentro de la segunda categoría están basadas en las técnicas de umbrales, crecimiento de 10 Capítulo 2. Preliminares regiones, y técnicas de división y fusión. La umbralización de imágenes de objetos en entornos robotizados muchas veces es compleja por la influencia de elementos no deseados como sombras, brillos, la complejidad de colores, texturas y tamaño de los objetos y la posibilidad de solapamiento de estos, así como las variaciones en el fondo. Se trata de definir un umbral, de forma que separe los objetos de interés respecto del fondo. Para su aplicación se exige una clara diferencia entre los objetos y el fondo de la escena. Los píxeles de los objetos se les aginará ‘1’ y al fondo ‘0’, quedando binarizada la imagen. Una vez caracterizado la región de color que se desea detectar, en el caso de ejemplo son tonos de grises, se realiza una máscara binaria la cual resalta únicamente el espacio que contiene estos colores caracterizados y por tanto seleccionará la región de influencia de la imagen. Figura 2.10 Imagen a segmentar por umbralización. Suponga que el histograma de los niveles de gris de una imagen I(x,y) es el que se muestra en la Figura 2.11 (a) . La imagen I(x,y) está compuesta de objetos claros sobre fondo oscuro de tal forma que los niveles de gris están agrupados en dos modos predominantes. Una forma de separar los objetos del fondo consiste en seleccionar un umbral T que separe esos modos. Entonces, cualquier punto (x,y) para el que se cumpla que I(x,y)>T se lo etiqueta como objeto; en otro caso, como fondo. La Figura 2.11 (b) muestra el histograma de otra imagen en un caso más general. Figura 2.11 Histogramas de nivel de gris que se pueden segmentar con (a) un único umbral y (b) con múltiples umbrales. En este caso el histograma de la imagen está caracterizado por tres modos dominantes. Esto ocurrirá cuando se tengan dos tipos de objetos claros sobre fondo oscuro, por ejemplo. Se puede utilizar el mismo principio para clasificar cada punto (x,y) . Si T1<I(x,y)≤T2 entonces se lo etiqueta como primer objeto, si I(x,y)>T2 como segundo objeto y si I(x,y)≤T1 como fondo. En general, este tipo de clasificación con varios umbrales es menos viable, ya que es más dificil determinar esos umbrales que aislen de forma efectiva las regiones deinterés, especialmente cuando el número de modos del histograma aumenta. En general, un método de umbral se puede ver como una operación en la que se hace un test de cada pixel con respecto a 2.2 Herramientas Utilizadas 11 una función Tde la forma: T=T(x,y,p(x,y),I(x,y)] dónde I(x,y) es el nivel de gris del punto (x,y) y p(x,y) denota cualquier propiedad local de ese punto (como por ejemplo el nivel de gris medio en un vecindario centrado en (x, y)). El método de umbral dará lugar a otra imagen B(x,y)definida por B(x,y) = si I(x,y)>T1 si I(x,y)≤T0(2.1) En este caso un pixel con etiqueta 1 de la imagen B corresponderá a objetos, mientras que un pixel con etiqueta 0 corresponderá al fondo. Cuando T dependa sólo del nivel de gris I(x,y) se denomina umbral global(en la Figura 2.11(a) se puede ver un ejemplo en este caso). Si T depende tanto del nivel de gris I(x,y) como de la propiedad local p(x,y) , el umbral se denomina local. Si, además, T depende de las coordenadas espaciales x e y , el umbral se denomina dinámico. En la Figura 2.14 (a) se puede ver el histograma de la imagen de la Figura 2.10 para el que se ha fijado un umbral T . En la Figura 2.14 (b) se muestra el resultado de segmentar dicha imagen con ese umbral T. Figura 2.12 (a) Histograma y umbral T para la imagen de la figura 6(a). (b)Imagen segmentada usando el umbral T. Ahora se muestra un ejemplo de los histogramas en el espacio de color detallado en la sección 2.2.1 y con el cual se realizará lo explicado anteriormente pero basándonos en esta definición del color. Figura 2.13 Imagen ejemplo para histograma CIE L*a*b. Figura 2.14 Histograma de las componente L, a* y b* correspondientes a 2.13. En base a estos histogramas que reflejan los diferentes tonos con los que cuenta la escena capturada, se 18 Capítulo 3. Descripción del Prototipo de la desviación. La Tabla 3.1 recoge los datos de los hilos fijados en la estructura triangular que permite realizar este movimiento de posicionamiento de la punta gracias a los diferentes tamaños de los triángulos. Tabla 3.1 Características de los hilos en la estructura. RMarten(Ω)RAust (Ω)LMarten(mm) LAust (mm) α(º) 6,9 7 92,6 94 9,9 Figura 3.5 Cálculo desviación. 3.2.2 Circuito de excitación del Nitinol Para que el sistema de posicionamiento de la punta sea eficiente, se debe controlar los hilos de nitinol por medio de la corriente aplicada, por lo que se diseña un circuito de excitación en el que transistores mosfet de canal N (recogido en apéndice A) permiten el paso de corriente hacia los hilos cuando se aplique suficiente voltaje a la Puerta. Este voltaje estará controlado por medio de un Arduino Due, conectado por SIMULINK ® a la cámara y que gobiernará los voltajes que la plataforma aplica a las determinadas puertas dependiendo de lo que esté viendo en ese instante. En la Figura 3.6 se muestra el circuito de excitación del nitinol diseñado. Figura 3.6 De izquierda a derecha: Esquema eléctrico del circuito de escitación de uno de los hilos de Niti; circuito final de excitación con Arduino DUE controlando los voltajes de puerta. El nitinol se conecta entre la fuente de alimentación y las resistencias inferiores que se encuentran en el drenaje del Mosfet. Cuando se aplica corriente a la puerta el circuito se cierra y el nitinol conduce, se calienta hasta contraerse más o menos rápido dependiendo de la tensión aplicada en la Puerta. La fuente de tensión será de 5V, las resistencias de drenaje son dos resistencias en paralelo de 10 Ω cada una y las de la Puerta de 1,2K Ω . Los parámetros del circuito vienen expresados en la Tabla 3.3 y hacen referencia a los valores de corrientes y tensiones obtenidos en el circuito de la Figura 3.6, dependiendo del VGG . En la Tabla 3.2 se muestran mejor los componentes del circuito. 3.3 Sensor háptico 19 Tabla 3.2 Valores tensión (V) y corriente (mA) circuito de excitación. Componentes Características Unidades Voltaje Supply 5 V1 Resistencia 10Ω6 Resistencia 1,2KΩ3 MOSFET Tipo N 3 Hilos Nitinol 0,13mm 3 LED - 3 Arduino Board DUE R3 1 Tabla 3.3 Valores tensión (V) y corriente (mA) circuito de excitación. VDD VGG VGS VHilo VDS IHilo IDIG 5 5 4,87 1,95 0 5,8880 390 0,10833 5 3,3 3,28 1,95 0 5,8880 390 0,0166 5 2,7 2,7 2,95 1,48 3,9575 294 0 5 1,84 1,83 3,75 2,81 2,41312 188 0,0083 5 1,01 1,01 4,49 4,03 0,98455 92 0 5 0,5 0,493 4,93 4,76 0,135 34 0,00583 3.2.3 Colocación del nitinol en el extremo del catéter Se diseñan dos piezas en impresión 3D, ambas con forma de triángulo equilátero, pero una siendo mayor tamaño, puede verse en la Figura 3.7. Figura 3.7 Piezas impresas en 3D para colocación NiTi. Ambas cuentan con tres agujeros separados entre si 120 ◦ . Luego se pasan los tres cables de nitinol por las aberturas y se estiran hasta quedar tensados (ver Figura A.3). 3.3 Sensor háptico En su artículo, Fagogenis et al (2019) crean un catéter robótico capaz de navegar mediante algoritmos de seguimientos de pared por un corazón lleno de sangre, inspirados en animales positivamente tigmáticos. Para ello se desarrolla un sensor háptico que emplea de manera híbrida imágenes para la identificación de superficies por medio del tacto y la detección de fuerza. En el prototipo desarrollado en el presente proyecto se propone la navegación autónoma de un robot catéter para intervenciones, diagnosis, etc. por medio del seguimiento del tejido que es capaz de detectar a través del procesamiento y tratamiento de estas imágenes captadas por la cámara situada en la punta del catéter en tiempo real. 3.3.1 Principio de Funcionamiento El principio de funcionamiento en el que se basa este sistema de navegación consiste en la captura continuada de imágenes, las cuales serán procesadas por medio de un algoritmo previamente diseñado para segmentar las imágenes por medio de la umbralización del color, creando una máscara configurada por los umbrales de 20 Capítulo 3. Descripción del Prototipo los parámetros característicos del espacio de color CIE L*a*b, expresados con anterioridad, con la que se delimitarán los colores y luminosidades deseadas detectando únicamente la parte del tejido que se encuentra próxima al catéter. Esto se consigue por medio de múltiples pruebas realizadas (ver Capítulo 4). Figura 3.8 Diagrama de flujo programa segmentación de imágenes mediante umbral del color . Figura 3.9 Esquema del principio de funcionamiento del sensor háptico para seguimiento de paredes . Para explicar el procesado de imágenes se muestra un ejemplo en la Figura 3.8. Una vez obtenida la máscara de la imagen inicial se rellenan los huecos, después se le aplica un cierre morfológico que consiste en el encadenamiento de una dilatación seguida de una erosión, se utiliza para eliminar elementos salientes, conexiones finas o suavizar los contornos de un objeto. A continuación se calcula el área de la región más grande despreciando las áreas pequeñas que puedan haber sido detectadas. Cabe señalar que el área se define, en este proyecto, como el tejido próximo observado por la microcámara, es decir, el tejido será observado antes del contacto con éste, como se muestra en la Figura 3.10. Se considera contacto a partir del 35% de área visionada. Inicialmente se programa para que el nitinol se contraiga solo en uno de sus hilos y haga entonces girar la punta, se ha puesto por defecto a la derecha, hasta que se encuentre en el rango perteneciente al 30-40% de área de tejido en la imagen, entonces se irá moviendo entre estos dos límites, si está más cerca del 30% que del 40% se seguirá moviendo a la derecha y si se encuentra al contrario, se moverá hacia la izquierda . Lo que se consigue con esto es un movimiento de la punta del catéter en zig-zag. Si el tubo en el que se está probando el experimento se aleja o tuerce, perdiendo así la cámara su referencia, volveria a moverse hacia la derecha hasta volver a situarse en el intervalo de área definido y volvería a realizar este movimiento en zig-zag. Este proceso es el que se intenta plasmar en la la Figura 3.9 como se puede ver, se diferencian los porcentajes de áreas, la cámara cuenta con una resolución de 640x480 por lo que el área contenido en la imagen es de 307.200 píxeles. Más detalles sobre las áreas se encuentra recogido en la Tabla 3.4. • Si el área detectado está entre los rangos de porcentaje de 0 a 30% entonces significa que el catéter se encuentra muy alejado de la zona de seguimiento y lo que hará será, mediante el circuito que se 3.3 Sensor háptico 21 Figura 3.10 Justificación del rango de uso. Enumeradas en orden las instantáneas: En primer lugar alejado de la pared, detecta porcentaje de área cero; la segunda instantanea muestra el acercamiento del catéter a ésta pero con detección aproximada de cero; en la tercera detecta un porcentaje de área del 18,5% pero se aprecia como no ha tocado aún la pared del tejido; la instantánea cuatro demuestra como en rangos superiores a 35% de área observado, el catéter está en contacto con el tejido.. describe en la Figura 3.6, excitar el cable que se encuentra a la derecha (en rojo en la Figura 3.9) para que el catéter vaya en busca del rango de seguimiento de paredes. • Si el área que detecta por medio del algoritmo previamente explicado es mayor al 40%, se llama a la maniobra de evasión que excitará los dos hilos que se encuentran en el lado contrario al área detectada y permitirán que, como el nitinol ya se ha visto que se contrae rápidamente, se aleje de la zona "prohibida" ágilmente. • Si por el contrario, el área en cuestión entra en el rango del 30-40% diremos que está en la zona del seguimiento de pared, este es el rango que se pretende mantener todo el tiempo. De manera que, cuando detecta que se encuentra entre el 30-35% del área de la imagen total, la excitación de dicho cable ( en verde en la Figura 3.9) se hará menor, es decir que la tensión que se aplica a la Puerta del MOSFET que controla dicho hilo disminuye, haciendo que el cable no se contraiga de una manera tan rápida porque podría pasarse de la zona de interés. En resumen, se va buscando que entre en el rango del 35-40% de una manera lenta para que no se pase de los límites marcados y se pueda mantener en esa región. Cuando entra en este espacio es el hilo marcado en rojo en la Figura 3.9 el que se excita, mientras que se le da tensión nula a la puerta del otro cable para que deje la contracción, provocando que el catéter gire en el otro sentido y se aleje de la pared. Se hará de la misma forma que cuando se encuentra en el rango del 30-35%, es decir, no se le dará máxima tensión a la puerta para que no se vaya del rango que se considera de "seguimiento de pared". Es entonces cuando el ciclo vuelve a empezar. La Figura 3.11 ilustra lo que ocurre dentro del área de seguimiento del tejido. En la parte inferior de la Figura 3.11 se muestra la acción de empuje para la inserción del catéter. 22 Capítulo 3. Descripción del Prototipo Figura 3.11 Esquema del modo de funcionamiento del seguimiento de paredes. Arriba el zigzageo del área a través de los rangos prefijados. Abajo, actuación del motor de empuje longitudinal para inserción del catéter. 3.3.2 Manejo de los cables según el área En esta subsección se busca aclarar al lector el funcionamiento del algoritmo de seguimiento y aplicación de tensiones a los hilos para crear el movimiento deseado en la punta del catéter. En primer lugar, aclarar que los pines a los que están conectadas las puertas del MOSFET del circuito de excitación están definidas como PWM y por lo tanto, se les aplica un rango de 0 a 255, siendo este último el máximo posible, que en el caso de Arduino DUE es de 3.3V. Dependiendo del área que se detecte en la imagen procesada, se enviará diferentes DutyCycle a los pines PWM. Para que se entienda de una manera más clara se adjunta una tabla en la que se muestra los rangos de área y sus correspondientes rangos de PWM aplicados a cada hilo con los que se desea que la punta del catéter realice unos determinados movimientos seguros. Para que la Tabla 3.4 tenga sentido, cabe señalar que los hilos están denominados de la siguiente forma: •Hilo 1: Es el que se encuentra en el vértice superior de los triángulos, que hará que el movimiento se produzca hacia los 90º. • Hilo 2: Es el hilo de nitinol que se encuentra en el vértice izquierdo de los triángulos, si se mira la pieza desde la plataforma de empuje. • Hilo 3: Es el hilo de nitinol que se encuentra en el vértice derecho de los triángulos, si se mira la pieza desde la plataforma de empuje. En los experimentos realizados (ver Capítulo 4) la punta describe una circunferencia gracias a que si en vez de excitar los dos a la vez, excitamos primero uno y luego mientras se deja de excitar este se excita el otro a su vez, pasaría por todos los ángulos correspondientes al cuarto de círculo que le corresponden hasta llegar a estar tenso en el ángulo que provoca la contracción de un solo hilo. Como ejemplo si excitamos en primer lugar el hilo 2 y nada más privarlo de corriente le aplicamos tensión al hilo 1, el catéter realizará un movimiento que irá pasando lentamente del ángulo 0 hasta el 90, por lo que describirá un cuarto de circunferencia. En la la Figura 3.12 se ha esbozado como sería la respuesta en grados del movimiento del catéter si se activasen los cables en verde. Dónde a1 ya2 son la diferencia absoluta que hay del área total con la zona en la que se encuentra, es decir si el área detectada es de 20, la zona en la que se encuentra es la región 15 ≤ Área<30 , entonces 3.4 Sistema de empuje longitudinal 23 Figura 3.12 Esquema del modo de funcionamiento del movimiento de la punta dependiendo de los hilos excitados . Tabla 3.4 Señal PWM en función del área detectada. Rangos Área Hilo actuador PWM Voltaje 0<Área<15 [0−46.080]hilo 3 255 3.3V 15≤Área<30 [46.080 −92.116]hilo 3 255-(a1*3.66)3.3−2.88V 30≤Área<35 92.116 −107.520 hilo 3 200-(a2*3.8)3.3−2.7V 35≤Área≤40 [107.520 −122.880]hilo 2, hilo 1 200-150 2.7−1,94 V Área>40 [122.880]hilo 2 , hilo 1 255 3.3V a1=abs(20 −15) . Así lo que se consigue es que cuando se vaya acercando a la región de seguimiento se frene un poco y no se contraiga tan rápido, hasta un mínimo de 200 de Duty Cycle. Lo mismo ocurre con 30 ≤ Área<35. En cuanto a las fórmulas de PWM que se indican en la Tabla 3.4 es una forma de ir aproximando el Duty Cycle de la señal 3.4 Sistema de empuje longitudinal En un catéter autónomo surje la necesidad de tener un sistema que lo inyecte hacia el interior del paciente cuando sea necesario, como puede verse en [35] [36] [4], éste último mostrado en la Figura 2.6. La intención es pues que el catéter se acerque a dicho tejido, detectando que se encuentra en los rangos prefijados y se irá moviendo entre estos, cuando se aproxime demasiado al extremo superior del intervalo de área, se excitará el hilo contrario para que se separe y así continuamente, explicado en la Figura 3.3.1. Es en ese momento, en el que ha detectado la pared y se aleja creando una señal en zig-zag cuando el motor de la plataforma se activa e impulsa el catéter. 24 Capítulo 3. Descripción del Prototipo El sistema de empuje desarrollado que se muestra en la Figura 3.1 tiene el siguiente modo de funcionamiento y el cual se va a explicar en base a la Figura 3.11: Una vez el catéter se encuentra en los rangos denominados de "seguimiento de pared" este se acerca a la zona de área comprendida entre el 35-40%, cuando la imagen procesada en el instante posterior a la llegada a este área es analizada, el sistema actúa en consecuencia y como ya se mostró en la Tabla 3.4 excitará el hilo 2 en detrimento del hilo 1. Hasta ahí nada que no se haya explicado antes, cuando el catéter está alejandose levemente de la pared dentro del rango de seguimiento se le envía un pulso de activación al sistema de empuje que hará que el motor gire un determinado ángulo, el cual puede comprobarse en la Tabla 3.5, que, con la transformación de movimiento que se ha desarrollado gracias a la cinta transportadora, pasando de un movimiento rotatorio a uno longitudinal se consigue que este sistema empuje unos determinados milimetros al catéter hacia el interior de la cavidad. Se decide que es en ese instante el momento de activar el motor debido a que sólo debe moverse si se encuentra dentro de la zona controlada y además hay que aclarar que si se realiza el empuje cuando el hilo 3 está contraído hacía el tejido, el catéter podría presionar el tejido con suficiente fuerza como para ocasionar lesiones graves para el paciente. Es por eso que el avance se producirá únicamente cuando el catéter se esté alejando del tejido dentro de la zona segura de actuación. Tabla 3.5 Caracterización cinta transportadora-catéter. GiroMotor() RadioRueda(mm) Lcircun f erencia(mm) LDesplazada(mm) 21,81 19,5 122,522 14,84355 Cuando el seguimiento de pared se hace efectivo, en su movimiento de alejamiento de pared, se empuja al catéter 1,485355 cm hacia el interior de la cavidad. Véase la Tabla 3.5. 3.4.1 Control de posición del motor El control de posición del motor del sistema de empuje se realiza desde SIMULINK ® mediante el controlador de posición EPOS 4 el cual fue modelado mediante un bloque S-Function [37]. Con EPOS Studio se selecciona el tipo de EPOS, carga directamente con el nodo que detecte conectado al USB del ordenador. Caracterizas el motor, reductora y encoder que hay conectado al controlador a través de Startup Wizard, las cuales pueden encontrarse facilmente en el data sheet de cada una. Una vez configurado el conjunto del motor, se realiza el Regulation Tuning en el que el programa EPOS Studio realiza el auto-tuning de la corriente, velocidad y posición del motor, definirá las ganancias de regulación adecuadas para cada modo. Este procedimiento puede durar unos minutos. Una vez terminado se tiene el EPOS 4 listo para usar en SIMULINK ® . En SIMULINK ® y con la S-Function desarrollada, se pone a la entrada una constante que se irá sumando en cada pulso de activación a la anterior, la cual hará que el motor gire unos determinados grados hacia un lado. Estos grados vienen determinados por el número de pulsos que se aplican a la entrada del controlador digital, que al estar configurado con motor, encoder y reductora conocidos, aplica al motor estos pulsos de encoder que se traducen en grados. Con Encoder de 500cpt y reductora con relación 33:1, se obtiene que serían necesarios 16.500 pulsos para que el eje de salida del motor realizara una vuelta, es decir 360 º . Por tanto se aplicarán 45,833 pulsos de encoder por cada grado que quiera ser girado el motor. Los bloques de SIMULINK ® se muestran en el apéndice ??. Antes de comenzar el desarrollo de las pruebas realizadas, se hace mención al diagrama de bloques que gobierna el controlador digital EPOS4 en el caso del control de posición, para ello se muestra en la Figura 3.13 una adaptación de este y se señala que tanto las ganancias del control de posición como del control de corriente, en el que están basados tanto el control de posición como el de velocidad, son ajustados mediante el programa EPOS Studio previamente mencionado. Apartir de ahora, se mostrará únicamente un bloque con el nombre EPOS4 Controller en el cual se incluye lo ilustrado en la Figura 3.13 3.4 Sistema de empuje longitudinal 25 Figura 3.13 Diagrama de bloques control de posición EPOS 4. 4 Experimentos Realizados Pa ra abordar el objetivo de la navegación háptica de un robot autónomo tipo catéter se propuso afrontar un problemas mucho menores, y una vez se fueron solucionando estos pequeños retos, se unificaron y contribuyeron entre todos a desarrollar la aplicación de navegación. En este capítulo se va a mostrar los distintos experimentos que se fueron haciendo para conseguir que el catéter se ajustara a cada propósito descrito en la sección 1.2. 4.1 Pruebas Iniciales En la presente sección se expone el conjunto de pruebas iniciales que se llevaron a cabo para la consecución del objetivo principal del proyecto. Para ello inicialmente se usó una plataforma experimental con la que probar y demostrar que el algoritmo desarrollado para la segmentación de imágenes por umbralización en el espacio de color CIE L*a*b era efectivo para el uso correcto del sensor háptico y por tanto, que la aplicación de navegación destinada al catéter estaba construída antes de probar en el prototipo final. La plataforma de pruebas consiste en un motor acoplado a un brazo flexible por medio de una pieza desarrollada en impresión 3D, la cual inicialmente emulará el extremo del catéter, más adelante se le coloca una cámara con la cual se efectuan las pruebas del algoritmo diseñado para la navegación. La plataforma de pruebas puede verse en la figura 4.1. Figura 4.1 Plataforma experimentación parte 1 . 4.1.1 Descripción del banco de pruebas Para las pruebas del sensor háptico se dispuso de un diagrama de bloques de SIMULINK ® ilustrado en 4.2 y 4.3 en los que se lee la imagen proporcionada por la cámara, que entra en una función de Matlab cuyo resultado es decir si detecta la pared o no, luego se incluyó otra función que irá permitiendo el giro del motor de un lado hacia el otro, puede verse en 4.12, con ello se intentaría que al detectar el área se alejase, dando lugar al movimiento de zigzageo del que se ha estado hablando. Por lo tanto, también se harán pruebas de 27 34 Capítulo 4. Experimentos Realizados Experimento 3: Movimiento en forma de cruz de la punta del catéter En esta prueba se le aplican pulsos a los hilos para que dibujen una cruz con sus movimientos, para ello, en el diagrama de SIMULINK ® conectamos las salidas del subsistema Cruz a los pines y les proporcionarán las siguientes señales las cuales vienen descritas a continuación. El periodo de la señal del Hilo 3 es de 15s mientras que el de Hilo 2 eHilo 1 es de 30s. Hilo3(t) = 255 si 0≤t≤4.5s 0si resto (4.7) Hilo2(t) = 255 si 15 ≤t≤24s 0si resto (4.8) Hilo1(t) = 255 si 5≤t≤11s 0si resto (4.9) Figura 4.16 Señales aplicadas a los hilos para hacer una cruz. 4.2 Pruebas finales Una vez explicados todos los pasos que se han realizado para llevar a cabo el catéter, en esta sección se detallan las pruebas realizadas con el prototipo del catéter una vez finalizado su diseño, desarrollo y experimentación para verificar su funcionamiento. Para ello, se coloca el modelo de la Figura3.2 en la entrada de un tubo acolchado de color negro, que se puede ver en la Figura 4.17. Se recuerda que está configurado para el seguimiento de la pared derecha, por lo que inicialmente si no detecta pared, se moverá hacia ese lado (hilo 3). Figura 4.17 Configuración para el experimento. En las siguientes figuras se encuentran los resultados obtenidos en dos de los experimentos llevados a cabo para la verificación de la visión háptica. La Figura 4.18 contiene la variación del área en función del porcentaje de tejido observado, se aprecia como cuando supera el porcentaje del 35% se considera que la punta distal del catéter está en contacto con la pared y se aleja. En la Figura 4.19 muestra la activación del motor y el ángulo de giro de éste. Coincide con el momento de decremento del porcentaje de área observada 4.2 Pruebas finales 35 en el momento que es superado el 35%. La Figura 4.20 recoge la señal de excitación de los hilos, PWM, en el experimento 1 y la Figura 4.21 hace lo propio para el experimento 2. 0 1 2 3 4 5 6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Exp2 Exp3 Figura 4.18 área del tejido observada. Como muestra la Figura 4.18 el área aumenta a medida que el catéter busca la pared del tejido hasta sobrepasar el 35% del área proxima observada por lo que considera colisión de la punta distal del catéter con el tejido, se activan los hilos opuestos a la pared y se aleja el extremo del catéter haciendo que el área observada disminuya hasta encontrarse en el rango de los 30-35% en el que volverá a buscar la pared y así sucesivamente. 0 1 2 3 4 5 6 0 0.5 1 0123456 0 50 100 150 Exp2 Exp3 Figura 4.19 Activación y ángulo del motor. En la Figura 4.19 se aprecia como el motor se activa cuando se ha producido la colisión con la pared y se está alejando de ella. El ángulo del motor aumenta en torno a 21 ◦ por cada activación. En las Figuras 4.20 y 4.1 se muestran las señales PWM enviadas a los hilos desde Arduino Due. Se puede ver como se manejan los hilos dependiendo del rango de área en el que se encuentraen ambos experimentos. El video con los experimentos realizados por el catéter en el experimento 2 4.1.5, experimento 3 4.1.5 y en la prueba final de funcionamiento 4.2, se adjunta en el siguiente enlace: https:// youtu.be/ It_hgXkmmaI Video Demostración 36 Capítulo 4. Experimentos Realizados 0 1 2 3 4 5 6 0 100 200 0123456 0 100 200 0123456 0 100 200 Figura 4.20 Excitación hilos experimento 1. 0 1 2 3 4 5 0 100 200 012345 0 100 200 012345 0 100 200 Figura 4.21 Excitación hilos experimento 2. 5 Conclusión y Lineas futuras El campo de la robótica quirúrgica ha realizado múltiples avances a lo largo de los últimos años y se espera que sea una parte esencial en las operaciones de cirugía ya sean de intervención o diagnóstico en los años venideros. La posibilidad de que un catéter guiado autonomamente por medio de navegación háptica sea capaz de llevar un microrobot en la punta y desplegarlo en la zona de interes o que el propio catéter pueda realizar operaciones de diagnóstico o intervención incorporando en si mismo micropinzas o microbistiris, permite al cirujano, en primer lugar, evitar un costoso y arduo estudio y aprendizaje sobre el cateterismo manual, que cuenta con la pericia del cirujano para su éxito. En segundo lugar, le permite atender a las diferentes dificultades que se presenten u otras operaciones que deba realizar mientras la intervención autónoma se está llevando a cabo. Como se ha estudiado, hay múltiples formas de cateterismo además de la tratada en este proyecto, como el guiado manual o externo, o el sistema de accionamiento magnético, cuya investigación ha evolucionado desde dispositivos activos formados por pequeñas esferas ferromagnéticas o microbobinas orientables localizadas en determinados puntos del cuerpo del instrumento, a los actuales catéteres pasivos, constituidos por imanes permanentes simples o múltiples fijados a ciertas partes del cuerpo o al extremo del catéter, así como a catéteres continuos fabricados en su totalidad de material blando con propiedades ferromagnéticas. También hay otros tipos de accionamientos por materiales con memoria de forma; por polímeros; por presión hidráulica, en definitiva materiales blandos, además de cantidad de formas de clasificación del tipo de catéter como puede ser por el entorno del tejido en el que se va a introducir o por sus atributos. El prototipo de catéter que aquí se ha propuesto es capaz de tomar decisiones de forma autónoma gracias a que se le ha dotado de un sistema que combina el algoritmo desarrollado con la visión por computador y procesamiento de imágenes en tiempo real, además de poder ir visionando el medio a través del software implementado. Esta propuesta cuenta además con unos sistemas muy accesibles en el mercado y el software aquí implementado está a mano de todos los usuarios que así lo deseen. Para continuar con esta línea de trabajo se propone la inclusión de un control de fuerza por medio de un sensor que detecte la colisión en tiempo real y conmute entre dos referencias dependiendo de si se ha producido colisión [ 38 ], por lo que se parte de un movimiento libre y se adentra en el movimiento restringido cuando la colisión es detectada. También podría hacerse colocando el control de posición en el lazo de control interno y un lazo externo de realimentación con el sensor de fuerza [39]. El sensor puede ser celdas de carga, por ejemplo en [ 40 ], crean un módulo sensor que tiene la capacidad de controlar la fuerza mediante la medición de la tensión del cable. La tensión del cable se mide mediante un mecanismo de medición de la tensión con una celda de carga; a partir de galgas extensiométricas [ 41 ]; a través de un sensor de desplazamiento de fibra óptica que mide el desplazamiento de la superficie reflectante soportada por los flexores. [ 39 ]. Estos sistemas se acoplan en el llamado "drive-system" el cual se localiza en la base del catéter. Además, el prototipo de catéter aquí expuesto es solo una propuesta del sistema que podría implementarse en uno de este tipo pero que se desarrollase a escala más pequeña y con la finalidad de probarse realmente en tejido humano o simulando serlo. El sistema de seguimiento de pared junto con el de empuje y posicionamiento 37 38 Apéndice 5. Conclusión y Lineas futuras estarian listos para ser integrados en un protoipo más pequeño que cumpla con las funcionalidades requeridas para el intervencionismo mínimamente invasivo. Para ello, se podría diseñar el catéter con la tecnología de tubos concéntricos, compuesto por múltiples tubos superelásticos como ya hiciera [4] entre otros. Apéndice A Appendix Contents: Appendix 1 Códigos y diagramas Simulink Appendix 2 Hojas de Caracteristicas A.1 Códigos y Diagramas de Simulink A.1.1 Códigos 39 %%%%Código FINAL Catheter%%%% function [hilo1, hilo2, hilo3, A, motor]= fcn(RGB) A=1; motor=0; I= imgaussfilt(RGB); I = rgb2lab(I); channel1Min = 16.958; channel1Max = 100.000; % Define thresholds for channel 2 based on histogram settings channel2Min = -18.229; channel2Max = 37.860; % Define thresholds for channel 3 based on histogram settings channel3Min = -73.834; channel3Max = 0.330; % Create mask based on chosen histogram thresholds sliderBW = (I(:,:,1) >= channel1Min ) & (I(:,:,1) <= channel1Max) & ... (I(:,:,2) >= channel2Min ) & (I(:,:,2) <= channel2Max) & ... (I(:,:,3) >= channel3Min ) & (I(:,:,3) <= channel3Max); BW = sliderBW; I = imfill(BW,'holes'); R=10; N=0; SE = strel('disk',R,N); I_CL= imclose(I,SE); l1=regionprops('struct',I_CL,'Area'); l=struct2cell(l1); if isempty(l) A = 1; else A = max([l{:}]); end Atotal=307200; %area total imagen A_comp30 = 30; A_comp40 = 40; A_comp35 = 35; A = (A*100)/Atotal; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%% MOVIMIENTO HILOS %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% if (A_comp30 <= A) && (A <= A_comp40) %calculamos de quien esta mas cerca A a1 =abs(A_comp30-A); a2 =abs(A_comp40-A); if (a1 < a2) %la diferencia es de 10% de area por lo que si a1<a2 será de = 1 o menos hilo3_x = 200-(a1*3.8); % quiero que se mueva proporcionalmente hasta llegar a 35 con 190 hilo1_x=0; hilo2_x=0; else hilo3_x = 0; hilo1_x = 150; hilo2_x = 200; motor = 1; end else if (0 < A) && (A < A_comp30) a3 =abs(1-A); a4 =abs(A_comp40-A); if (a3 < a4) hilo3_x = 255; hilo2_x = 0; hilo1_x = 0; else hilo3_x = 255-(a4*3.66); % el 3.66 sale de dividir los 55 puntos que hay hasta 200 entre las 15 areas que hay de 15 a 30 hilo2_x = 0;% lo que hacemos es ir rapido hasta que se vaya acercando al área q nos interesa hilo1_x = 0; end else hilo3_x = 0; % EVASIVA POR CERCANIA A LA PARED hilo2_x = 255; hilo1_x = 255; end end %%%%%MATLAB FUNCTION SEGUIMIENTO PARED%%%%% function y = fcn(RGB) % u = 0; A=1; channel1Min = 16.958; channel1Max = 100.000; % Define thresholds for channel 2 based on histogram settings channel2Min = -18.229; channel2Max = 37.860; % Define thresholds for channel 3 based on histogram settings channel3Min = -73.834; channel3Max = 0.330; % Create mask based on chosen histogram thresholds sliderBW = (I(:,:,1) >= channel1Min ) & (I(:,:,1) <= channel1Max) & ... (I(:,:,2) >= channel2Min ) & (I(:,:,2) <= channel2Max) & ... (I(:,:,3) >= channel3Min ) & (I(:,:,3) <= channel3Max); BW = sliderBW; % Initialize output masked image based on input image. maskedRGBImage = RGB; % Set background pixels where BW is false to zero. maskedRGBImage(repmat(~BW,[1 1 3])) = 0; R=3; N=0; SE = strel('disk',R,N); I=imopen(maskedRGBImage,SE); I=imfill(I,'holes'); l=regionprops('struct',I,'Area'); l=struct2cell(l); if isempty(l) A = 1; else A = max([l{:}]); end Atotal=307200; %area imagen i1 = Atotal*0.2; i2 = Atotal*0.4; if (i1<A) && (A<i2) a1 =abs(i1-A); a2 =i2-A; if a1 < a2 result = 0; else result = 1; end else if A>i2 result=1; else result=0; end end %%Se quiere Conseguir que el motor se mueva entre el 30-40% de porcentaje y=result; 231 maxon gear RE 30, 60 W 80 94.6 104.5 104.5 111.2 111.2 117.9 117.9 117.9 124.6 124.6 124.6 124.6 RE 30, 60 W 80 MR 263 106.0 115.9 115.9 122.6 122.6 129.3 129.3 129.3 136.0 136.0 136.0 136.0 RE 35, 90 W 81 97.6 107.5 107.5 114.2 114.2 120.9 120.9 120.9 127.6 127.6 127.6 127.6 RE 35, 90 W 81 MR 263 109.0 118.9 118.9 125.6 125.6 132.3 132.3 132.3 139.0 139.0 139.0 139.0 RE 35, 90 W 81 HED_ 5540 266/268 118.3 128.2 128.2 134.9 134.9 141.6 141.6 141.6 148.3 148.3 148.3 148.3 RE 35, 90 W 81 DCT 22 276 115.7 125.6 125.6 132.3 132.3 139.0 139.0 139.0 145.7 145.7 145.7 145.7 RE 35, 90 W 81 AB 28 318 133.7 143.6 143.6 150.3 150.3 157.0 157.0 157.0 163.7 163.7 163.7 163.7 RE 35, 90 W 81 HEDS 5540 / AB 28 266/318 150.8 160.7 160.7 167.4 167.4 174.1 174.1 174.1 180.8 180.8 180.8 180.8 A-max 32 109/111 89.5 99.4 99.4 106.1 106.1 112.8 112.8 112.8 119.5 119.5 119.5 119.5 A-max 32 110/112 88.1 98.0 98.0 104.7 104.7 111.4 111.4 111.4 118.1 118.1 118.1 118.1 A-max 32 110/112 MR 263 99.3 109.2 109.2 115.9 115.9 122.6 122.6 122.6 129.3 129.3 129.3 129.3 A-max 32 110/112 HED_ 5540 267/268 108.9 118.8 118.8 125.5 125.5 132.2 132.2 132.2 138.9 138.9 138.9 138.9 EC 32, 80 W 154 86.6 96.5 96.5 103.2 103.2 109.9 109.9 109.9 116.6 116.6 116.6 116.6 EC 32, 80 W 154 HED_ 5540 267/269 105.0 114.9 114.9 121.6 121.6 128.3 128.3 128.3 135.0 135.0 135.0 135.0 EC 32, 80 W 154 Res 26 277 106.7 116.6 116.6 123.3 123.3 130.0 130.0 130.0 136.7 136.7 136.7 136.7 EC 32 flat, 15 W 188 44.5 54.4 54.4 61.1 61.1 67.8 67.8 67.8 74.5 74.5 74.5 74.5 EC 32 flat, IE, IP 00 189 54.6 64.5 64.5 71.2 71.2 77.9 77.9 77.9 84.6 84.6 84.6 84.6 EC 32 flat, IE, IP 40 189 56.3 66.2 66.2 72.9 72.9 79.6 79.6 79.6 86.3 86.3 86.3 86.3 166155 166158 166163 166164 166169 166174 166179 166184 166187 166192 166197 166202 3.7 : 1 14 : 1 33 : 1 51 : 1 111 : 1 246 : 1 492 : 1 762 : 1 1181 : 1 1972 : 1 2829 : 1 4380 : 1 26/7676/49 529/16 17576/343 13824/125 421824/1715 86112/175 19044/25 10123776/8575 8626176/4375 495144/175 109503/25 663644334433 166156 166159 166165 166170 166175 166180 166185 166188 166193 166198 166203 4.8 : 1 18 : 1 66 : 1 123 : 1 295 : 1 531 : 1 913 : 1 1414 : 1 2189 : 1 3052 : 1 5247 : 1 24/5624/35 16224/245 6877/56 101062/343 331776/625 36501/40 2425488/1715 536406/245 1907712/625 839523/160 44 433433333 166157 166160 166166 166171 166176 166181 166186 166189 166194 166199 166204 5.8 : 1 21 : 1 79 : 1 132 : 1 318 : 1 589 : 1 1093 : 1 1526 : 1 2362 : 1 3389 : 1 6285 : 1 23/4299/14 3887/49 3312/25 38976/1225 20631/35 279841/256 9345024/6125 2066688/875 474513/140 6436343/1024 33 334334333 166161 166167 166172 166177 166182 166190 166195 166200 23 : 1 86 : 1 159 : 1 411 : 1 636 : 1 1694 : 1 2548 : 1 3656 : 1 576/25 14976/175 1587/10 359424/875 79488/125 1162213/686 7962624/3125 457056/125 4 4343 343 166162 166168 166173 166178 166183 166191 166196 166201 28 : 1 103 : 1 190 : 1 456 : 1 706 : 1 1828 : 1 2623 : 1 4060 : 1 138/53588/35 12167/64 89401/196 158171/224 2238912/1225 2056223/784 3637933/896 3 3333 333 122334445555 0.75 2.25 2.25 4.50 4.50 4.50 4.50 4.50 4.50 4.50 4.50 4.50 1.1 3.4 3.4 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 80 75 75 70 70 60 60 60 50 50 50 50 118 162 162 194 194 226 226 226 258 258 258 258 0.7 0.8 0.8 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.5 0.8 0.8 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 26.5 36.4 36.4 43.1 43.1 49.8 49.8 49.8 56.5 56.5 56.5 56.5 M 1:2 May 2011 edition / subject to change maxon gear Stock program Standard program Special program (on request) maxon Modular System + Motor Page + Sensor / Brake Page Overall length [mm] = Motor length + gearhead length + (sensor / brake) + assembly parts overall length overall length Technical Data Planetary Gearhead straight teeth Output shaft stainless steel Shaft diameter as option 8 mm Bearing at output ball bearing Radial play, 5 mm from flange max. 0.14 mm Axial play max. 0.4 mm Max. radial load, 10 mm from flange 140 N Max. permissible axial load 120 N Max. permissible force for press fits 120 N Sense of rotation, drive to output = Recommended input speed < 6000 rpm Recommended temperature range -40 ... +100°C Option: Low-noise version Planetary Gearhead GP 32 A 32 mm, 0.75 - 4.5 Nm Order Number Gearhead Data 1 Reduction 2 Reduction absolute 3 Max. motor shaft diameter mm Order Number 1 Reduction 2 Reduction absolute 3 Max. motor shaft diameter mm Order Number 1 Reduction 2 Reduction absolute 3 Max. motor shaft diameter mm Order Number 1 Reduction 2 Reduction absolute 3 Max. motor shaft diameter mm Order Number 1 Reduction 2 Reduction absolute 3 Max. motor shaft diameter mm 4 Number of stages 5 Max. continuous torque Nm 6 Intermittently permissible torque at gear output Nm 7 Max. efficiency % 8 Weight g 9 Average backlash no load ° 10 Mass inertia gcm2 11 Gearhead length L1* mm *for EC 32 flat L1 is + 2.0 mm maxon sensor 320 RE 30, 15 W 110 79.4 79.4 79.4 79.4 79.4 RE 30, 15 W 110 GP 32, 0.75 - 4.5 Nm 274 ••••• RE 30, 60 W 111 79.4 79.4 79.4 79.4 79.4 RE 30, 60 W 111 GP 32, 0.75 - 4.5 Nm 272 ••••• RE 30, 60 W 111 GP 32, 0.75 - 6.0 Nm 274-278 ••••• RE 30, 60 W 111 GP 32 S 301-303 ••••• RE 35, 90 W 112 82.4 82.4 82.4 82.4 82.4 RE 35, 90 W 112 GP 32, 0.75 - 4.5 Nm 272 ••••• RE 35, 90 W 112 GP 32, 0.75 - 6.0 Nm 274-278 ••••• RE 35, 90 W 112 GP 32, 4.0 - 8.0 Nm 279 ••••• RE 35, 90 W 112 GP 42, 3 - 15 Nm 283 ••••• RE 35, 90 W 112 GP 32 S 301-303 ••••• RE 40, 150 W 114 82.4 82.4 82.4 82.4 82.4 RE 40, 150 W 114 GP 42, 3 - 15 Nm 283 ••••• RE 40, 150 W 114 GP 52, 4 - 30 Nm 287 ••••• A-max 32 142/144 72.7 72.7 72.7 72.7 72.7 A-max 32 142/144 GP 32, 0.75 - 6.0 Nm 274-277 ••••• A-max 32 142/144 GS 38, 0.1 - 0.6 Nm 282 ••••• A-max 32 142/144 GP 32 S 301-303 ••••• EC-max 40, 70 W 206 73.9 73.9 73.9 73.9 73.9 EC-max 40, 70 W 206 GP 42, 3 - 15 Nm 284 ••••• EC-max 40, 120 W 207 103.9 103.9 103.9 103.9 103.9 EC-max 40, 120 W 207 GP 52, 4 - 30 Nm 288 ••••• EC-i 40, 50 W 228 41.9 41.9 41.9 41.9 41.9 EC-i 40, 50 W 228 GP 32, 1 - 6 Nm 277 ••••• EC-i 40, 50 W 228 GP 32 S 301-303 ••••• EC-i 40, 70 W 229 51.9 51.9 51.9 51.9 51.9 EC-i 40, 70 W 229 GP 32, 1 - 6 Nm 277 ••••• EC-i 40, 70 W 229 GP 32 S 301-303 ••••• 225783 228452 225785 228456 225787 256 500 512 1000 1024 33333 80 200 160 200 320 18 750 24 000 18 750 12 000 18 750 1 9 2 10 506 ±10 maxon sensor April 2014 edition / subject to change Stock program Standard program Special program (on request) overall length overall length Encoder MR Type L, 256–1024 CPT, 3 Channels, with Line Driver maxon Modular System + Motor Page + Gearhead Page + Brake Page Overall length [mm] / • see Gearhead Part Numbers Type Counts per turn Number of channels Max. operating frequency (kHz) Max. speed (rpm) Direction of rotation cw (definition cw p. 78) Technical Data Pin Allocation Connection example Supply voltage VCC 5 V ± 5% Output signal TTL compatible Phase shift Φ 90°e ± 45°e Index pulse width 90°e ± 45°e Operating temperature range -25…+85 °C Moment of inertia of code wheel ≤ 1.7 gcm2 Output current per channel max. 5 mA Terminal resistance R = typical 120 W The index signal I is synchronized with channel A or B. Capacitor C ≥ 0.1 nF per m line length 1 N.C. 2 VCC 3 GND 4 N.C. 5 Channel A 6 Channel A 7 Channel B 8 Channel B 9 Channel I (Index) 10 Channel I (Index) DIN Connector 41651/ EN 60603-13 flat band cable AWG 28 s∆45°e< s2s = 90°e 1..4 s1 s4 s3 U U U U U U High High High Low Low Low 90°e Channel A Channel B Channel I Cycle C = 360°e Pulse P = 180°e Phase shift R C R C R C Line receiver Recommended IC's: - MC 3486 - SN 75175 - AM 26 LS 32 Channel B Channel B Channel A Channel A Channel I Channel I GND VCC Encoder, Line Driver DMG9926USD Document number: DS31757 Rev. 5 - 2 1 of 6 www.diodes.com February 2014 © Diodes Incorporated DMG9926USD NEW PRODUCT DUAL N-CHANNEL ENHANCEMENT MODE FIELD EFFECT TRANSISTOR Product Summary V(BR)DSS R DS(ON) max ID max TA = +25°C 20V 24mΩ @ VGS = 4.5V 8A 29mΩ @ VGS = 2.5V 5.5A 37mΩ @ VGS = 1.8V 4.8A Description This MOSFET has been designed to minimize the on-state resistance (RDS(on)) and yet maintain superior switching performance, making it ideal for high efficiency power management applications. Applications  Power Management Functions  DC-DC Converters  Features  Low On-Resistance  Low Gate Threshold Voltage  Low Input Capacitance  Fast Switching Speed  Low Input/Output Leakage  Totally Lead-Free & Fully RoHS Compliant (Notes 1 & 2)  Halogen and Antimony Free. “Green” Device (Note 3)  Qualified to AEC-Q101 Standards for High Reliability Mechanical Data  Case: SO-8  Case Material: Molded Plastic, “Green” Molding Compound. UL Flammability Classification Rating 94V-0  Moisture Sensitivity: Level 1 per J-STD-020D  Terminals Connections: See Diagram  Terminals: Finish - Matte Tin annealed over Copper lead frame. Solderable per MIL-STD-202, Method 208  Weight: 0.072g (approximate) Ordering Information (Note 4) Part Number Case Packaging DMG9926USD-13 SO-8 2,500/Tape & Reel Notes: 1. No purposely added lead. Fully EU Directive 2002/95/EC (RoHS) & 2011/65/EU (RoHS 2) compliant. 2. See http://www.diodes.com/quality/lead_free.html for more information about Diodes Incorporated’s definitions of Halogenand Antimony-free, "Green" and Lead-free. 3. Halogenand Antimony-free "Green” products are defined as those which contain <900ppm bromine, <900ppm chlorine (<1500ppm total Br + Cl) and <1000ppm antimony compounds. 4. For packaging details, go to our website at http://www.diodes.com/products/packages.html. Marking Information TOP VIEW Internal Schematic TOP VIEW S1 D2 S2 D1 G2 G1 D1 D2 D1 S1 G1 N-Channel MOSFET D2 S2 G2 N-Channel MOSFET 1 4 8 5 N9926UD Y Y W W Shanghai A/T Site 1 4 8 5 N 99 2 6U D Y Y W W Chengdu A/T Site = Manufacturer’s Marking N9926UD = Product Type Marking Code YYWW = Date Code Marking YY or YY = Year (ex: 13 = 2013) WW = Week (01 - 53) YY = Date Code Marking for SAT (Shanghai Assembly/ Test site) YY = Date Code Marking for CAT (Chengdu Assembly/ Test site) DMG9926USD Document number: DS31757 Rev. 5 - 2 2 of 6 www.diodes.com February 2014 © Diodes Incorporated DMG9926USD NEW PRODUCT Maximum Ratings (@TA = +25°C, unless otherwise specified.) Characteristic Symbol Value Units Drain-Source Voltage VDSS 20 V Gate-Source Voltage VGSS 8 V Drain Current (Note 5) Steady State TA = +25°C TA = +70°C ID 8 6.7 A Pulsed Drain Current (Note 6) IDM 30 A Thermal Characteristics Characteristic Symbol Value Unit Total Power Dissipation (Note 5) PD 1.3 W Thermal Resistance, Junction to Ambient RθJA 96 °C/W Operating and Storage Temperature Range TJ, TSTG -55 to +150 °C Electrical Characteristics (@TA = +25°C, unless otherwise specified.) Characteristic Symbol Min Typ Max Unit Test Condition OFF CHARACTERISTICS (Note 7) Drain-Source Breakdown Voltage BVDSS 20   V VGS = 0V, ID = 250μA Zero Gate Voltage Drain Current IDSS   1 μA VDS = 20V, VGS = 0V Gate-Source Leakage IGSS   100 nA VGS = 8V, VDS = 0V ON CHARACTERISTICS (Note 7) Gate Threshold Voltage VGS ( th ) 0.5  0.9 V VDS = VGS, ID = 250μA Static Drain-Source On-Resistance RDS (ON)  19 23 29 24 29 37 mΩ VGS = 4.5V, ID = 8.2A VGS = 2.5V, ID = 3.3A VGS = 1.8V, ID = 2A Forward Transfer Admittance |Yfs|  7  S VDS = 10V, ID = 4A Diode Forward Voltage VSD 0.5  0.9 V VGS = 0V, IS = 1A DYNAMIC CHARACTERISTICS (Note 8) Input Capacitance Ciss  867  pF VDS = 15V, VGS = 0V f = 1MHz Output Capacitance Coss  85  pF Reverse Transfer Capacitance Crss  81  pF Gate Resistance RG  1.29  Ω VGS = 0V, VDS = 0V, f = 1MHz SWITCHING CHARACTERISTICS (Note 8) Total Gate Charge Q g  8.8   nC VGS = 4.5V, VDS = 10V, ID = 8.2A Gate-Source Charge Q g s  1.2  nC Gate-Drain Charge Q g d  3  nC Turn-On Delay Time td ( on )  13.2  ns VDD = 10V, VGS = 4.5V, RL = 10, RG = 6Ω Turn-On Rise Time t r  12.6  ns Turn-Off Delay Time td ( off )  64.8  ns Turn-Off Fall Time tf  21.7  ns Notes: 5. Device mounted on FR-4 PCB with minimum recommended pad layout. 6. Repetitive rating, pulse width limited by function temperature. 7. Short duration pulse test used to minimize self-heating effect. 8. Guaranteed by design. Not subject to production testing. o · · -~.-:;. ;.~~t#t~~?f J• i~ :: ~>~~:º· ~, < :· · -~ ' , -. . - 1. Waterproof wire endoscope 2.High resolution with l/6 CMOS camera 3. 6 LEO low lux luminance lights can work better wh en th e light is dark 4. XP system can watch video directly without install software, v ·;s ta nr .~/n 7 need use our software which in the CD 5.Can take photo and save it on your PC 6.Can record video,and save the video on your PC Function items Spec Descriotion Camera 1/6"VGA COMS Pixel VGA 300K Resolution 640x480,i352x288, 320x240, 176x144, 16Qx120 Capture Resolution Up to 640x480 LED 6White LEO bright light Brightness Auto Exposed control Auto FINO 2.8 Camera housing diameter <t7mm Wide visual view angle 66º LEO switch Adjustable lightness switch Focal Distance 3CM-infinate 1/0 Interface USB 2.0/1.1 Color 24 bits color Temperture Up to 80ºC F1140Rev J 6 FLEXINOL® DYNALLOY, Inc. Makers of Dynamic Alloys Section 2. Electrical Guidelines If Flexinol® actuator wire is used in the appropriate conditions, then obtaining repeatable motion from the wire for tens of millions of cycles is reasonable. If higher stresses or strains are imposed, then the memory strain is likely to slowly decrease and good motion may be obtained for only hundreds or a few thousands of cycles. The permanent deformation that occurs in the wire during cycling is heavily a function of the stress imposed and the temperature under which the actuator wire is operating. Flexinol® wire has been specially processed to minimize this straining, but if the stress is too great or the temperature too high, some permanent strain will occur. Since temperature is directly related to current density passing through the wire, care should be taken to heat, but not overheat, the actuator wire. The following charts give rough guidelines as to how much current and force to expect with various wire sizes. * The Heating pull force is based on 25,000 psi (172 MPa), which for many applications is the maximum safe stress for the wire. However, many applications use higher and lower stress levels. This depends on the specific conditions of a given design. The cooling deformation force is based on 10,000 psi (70 MPa), which is a good starting point in a design. Nonetheless, this value can also vary depending on how the material is used. ** The contraction time is directly related to current input. The figures used here are only approximate since room temperatures, air currents, and heat sinking of specific devices vary. On small diameter wires (<= 0.006" diameter) currents that heat the wire in 1 second can typically be left on without over-heating it. *** Approximate cooling time, at room temperature in static air, using a vertical wire. The last 0.5% of deformation is not used in these approximations. Diameter Size inches (mm) Resistance ohms/inch (ohms/meter) Pull Force* pounds (grams) Cooling Deformation Force* pounds (grams) Approximate** Current for 1 Second Contraction (mA) Cooling Time 158°F, 70°C “LT” Wire *** (seconds) Cooling Time 194°F, 90°C “HT” Wire *** (seconds) 0.001 (0.025) 36.2 (1425) 0.02 (8.9) 0.008 (3.6) 45 0.18 0.15 0.0015 (0.038) 22.6 (890) 0.04 (20) 0.016 (8) 55 0.24 0.20 0.002 (0.050) 12.7 (500) 0.08 (36) 0.032 (14) 85 0.4 0.3 0.003 (0.076) 5.9 (232) 0.18 (80) 0.07 (32) 150 0.8 0.7 0.004 (0.10) 3.2 (126) 0.31 (143) 0.12 (57) 200 1.1 0.9 0.005, (0.13) 1.9 (75) 0.49 (223) 0.20 (89) 320 1.6 1.4 0.006 (0.15) 1.4 (55) 0.71 (321) 0.28 (128) 410 2.0 1.7 0.008 (0.20) 0.74 (29) 1.26 (570) 0.50 (228) 660 3.2 2.7 0.010 (0.25) 0.47 (18.5) 1.96 (891) 0.78 (356) 1050 5.4 4.5 0.012 (0.31) 0.31 (12.2) 2.83 (1280) 1.13 (512) 1500 8.1 6.8 0.015 (0.38) 0.21 (8.3) 4.42 (2004) 1.77 (802) 2250 10.5 8.8 0.020 (0.51) 0.11 (4.3) 7.85 (3560) 3.14 (1424) 4000 16.8 14.0 1562 Reynolds Avenue, Irvine, California 92614 USA 714-436-1206 714-436-0511 fax http://www.dynalloy.com maxon motor ag Brünigstrasse 220 P.O.Box 263 CH-6072 Sachseln Phone +41 41 666 15 00 Fax +41 41 666 16 50 www.maxonmotor.com Edition November 2017 EPOS4 Positioning Controller Hardware Reference maxon motor control Positioning Controller P/N 536630 Positioning Controller P/N 546714 Hardware Reference Document ID: rel7291 Specifications Technical Data maxon motor control EPOS4 Positioning Controller Document ID: rel7291 2-11 EPOS4 Module/Compact 24/1.5 Hardware Reference Edition: November 2017 © 2017 maxon motor. Subject to change without prior notice. 2 Specifications 2.1 Technical Data EPOS4 Module 24/1.5 (536630) EPOS4 Compact 24/1.5 CAN (546714) Electrical Rating Nominal power supply voltage +VCC 10…24 VDC Nominal logic supply voltage +VC Module 10…24 VDC Compact 10…24 VDC, optional Absolute supply voltage +Vmin / +Vmax 8 VDC / 28 VDC Output voltage (max.) 0.9 x +VCC Output current Icont / Imax (<30 s) 1.5 A / 4.5 A Pulse Width Modulation frequency 100 kHz Sampling rate PI current controller 25 kHz (40 μs) Sampling rate PID speed controller 2.5 kHz (400 μs) Sampling rate PID positioning controller 2.5 kHz (400 μs) Max. efficiency 89% (Figure 2-4) Max. speed DC motor limited by max. permissible speed (motor) and max. output voltage (controller) Max. speed EC motor (block) 100’000 rpm (1 pole pair) Max. speed EC motor (sinusoidal) 50’000 rpm (1 pole pair) Built-in motor choke Module – Compact 3 x 94 μH; 1.5 A Inputs & Outputs Digital Input 1 (general purpose) Digital Input 2 (general purpose) Digital Input 3 (general purpose) Digital Input 4 (general purpose) Module +2.1…+36 VDC Compact DIP switch-selectable levels: • Logic: +2.0…+30 VDC • PLC: +9.0…+30 VDC Digital Output 1 (general purpose) Digital Output 2 (general purpose) max. 36 VDC / IL ≤500 mA (open collector with internal pull-up) STO Input 1 STO Input 2 +4.5…+30 VDC (optically isolated) STO Output max. 30 VDC / IL ≤15 mA (optically isolated with self-resetting short-circuit protection) Analog Input 1 Analog Input 2 Resolution 12-bit, −10…+10 V, 10 kHz, differential Analog Output 1 Analog Output 2 Resolution 12-bit, −4…+4 V, 25 kHz, referenced to GND Digital Hall sensor signals H1, H2, H3 +2.0…+24 VDC (internal pull-up) Continued on next page. Specifications Technical Data maxon motor control 2-12 Document ID: rel7291 EPOS4 Positioning Controller Edition: November 2017 EPOS4 Module/Compact 24/1.5 Hardware Reference © 2017 maxon motor. Subject to change without prior notice. Table 2-4 Technical data Inputs & Outputs (continued) Digital incremental encoder signals A, A\, B, B\, I, I\ EIA RS422, max. 6.25 MHz Sensor signals (choice between multiple functions) • Digital incremental encoder • Analog incremental encoder* • SSI absolute encoder • High-speed digital input 1…4 and High-speed digital output 1 3-channel, EIA RS422, max. 6.25 MHz 3-channel, resolution 12-bit, ±1.8 V, differential configurable, EIA RS422, 5 MHz EIA RS422, max. 6.25 MHz EIA RS422, max. 6.25 MHz Voltage Outputs Sensor supply voltage VSensor +5 VDC / IL ≤100 mA Auxiliary output voltage VAux +5 VDC / IL ≤150 mA Motor Connections DC motor + Motor, − Motor EC motor Motor winding 1, Motor winding 2, Motor winding 3 Interfaces RS232 Module max. 115’200 bit/s; external transceiver necessary Compact max. 115’200 bit/s USB 2.0 / USB 3.0 Full Speed CAN max. 1 Mbit/s Status Indicators Operation green LED Error red LED Physical Weight Module approx. 17 g Compact CAN approx. 58 g Dimensions (L x W x H) Module 53.8 x 38.8 x 11.1 mm Compact CAN 55.0 x 40.0 x 31.1 mm Mounting Module pluggable female box headers 1.27 mm or mounting holes for M2.5 screws Compact mounting holes for M2.5 screws 3) Environmental Conditions Temperature Operation Module: −30…+60 °C Compact: −30…+45 °C Extended range 1) Module: +60…+73 °C Derating −0.115 A/°C (Figure 2-3) Compact: +45…+70 °C Derating −0.060 A/°C (Figure 2-3) Storage −40…+85 °C Altitude 2) Operation 0…6’000 m MSL Extended range 1) 6’000…10’000 m MSL Derating Figure 2-3 Humidity 5…90% (condensation not permitted) * Available with an upcoming firmware release. 1) Operation within the extended range (temperature and altitude) is permitted. However, a respective derating (declination of output current Icont) as to the stated values will apply. 2) Operating altitude in meters above Mean Sea Level, MSL. 3) Max. tightening torque 0.16 Nm. EPOS4 Module 24/1.5 (536630) EPOS4 Compact 24/1.5 CAN (546714) Setup Pin Assignment for Connector Boards & Compact Versions maxon motor control EPOS4 Positioning Controller Document ID: rel7291 3-21 EPOS4 Module/Compact 24/1.5 Hardware Reference Edition: November 2017 © 2017 maxon motor. Subject to change without prior notice. 3.3 Pin Assignment for Connector Boards & Compact Versions As an alternative to developing an own motherboard, ready-made connector boards are available to combine the Module to Compact versions. They comprise all required connections. For in-depth details on connections chapter “3.4 Connection Specifications” on page 3-43. 3.3.1 EPOS4 CB 24/1.5 CAN (536997) / EPOS4 Compact 24/1.5 CAN (546714) Figure 3-9 EPOS4 CB 24/1.5 CAN (left) / EPOS4 Compact 24/1.5 CAN (right) 3.3.2 Cabling PLUG&PLAY Take advantage of maxon’s prefab cable assemblies and adapters. They come as ready-to-use parts and will help to reduce commissioning time to a minimum. a) Check the following table and find the part number of the cable assembly or adapter that matches the setup you will be using. b) Follow the cross-reference to get the cable’s pin assignment. Connector Prefab Cable Assembly & Adapter Designation Part Number Page X3b/X4b Adapter BLACK FPC11poles 418719 3-37 Adapter BLUE FPC8poles 418723 3-38 Adapter GREEN FPC8poles 418721 3-38 X5 Encoder Cable 275934 3-29 X6 Sensor Cable 5x2core 520852 3-31 X7 Signal Cable 8core 520853 3-32 X8 Signal Cable 7core 520854 3-33 X9 Signal Cable 8core 520853 3-32 X10 RS232-COM Cable 520856 3-35 X11 CAN-COM Cable CAN-CAN Cable 520857 520858 3-36 3-36 Continued on next page. Bibliografía [1] M. R. Cutkosky and W. Provancher, “Force and tactile sensing,” in Springer Handbook of Robotics. Springer, 2016, pp. 717–736. [2] R. A. Russell, “Using tactile whiskers to measure surface contours,” in Proceedings 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation. IEEE Computer Society, 1992, pp. 1295–1296. [3] R. Grant, P. M. Itskov, B. Towal, and T. J. Prescott, “Active touch sensing: finger tips, whiskers, and antennae,” Frontiers in behavioral neuroscience, vol. 8, p. 50, 2014. [4] G. 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