“diseño y construcción de un gripper experimental para … · 2018-12-05 · madre en momentos...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN

INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS

UPIITA

Trabajo Terminal II

“Diseño y construcción de un gripper

experimental para instrumento quirúrgico de corte

adaptado al Robot Mitsubishi® RV-M1”

Que para obtener el título de

“Ingeniero en Mecatrónica”

Presenta:

Carlos Raúl del Villar Santos

Asesores:

Ing. Emilio Nicéforo Brito Martínez

Dr. Alberto Luviano Juárez

México D.F. 22 de Agosto 2012

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN

INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS

UPIITA

Trabajo Terminal II

“Diseño y construcción de un gripper

experimental para instrumento quirúrgico de corte

adaptado al Robot Mitsubishi® RV-M1”

Que para obtener el título de

“Ingeniero en Mecatrónica”

Presenta:

__________________

Carlos Raúl del Villar Santos

Asesores:

México D.F. 22 de Agosto 2012

____________________

Ing. Emilio Brito Martínez

____________________

Dr. Alberto Luviano Juárez

Presidente del Jurado:

__________________

Profesor Titular:

___________________

M. en C. Juan Roberto

Rodríguez Bello

Dr. Leonel Corona

Ramírez

AGRADECIMIENTOS

Al pueblo de México; por contribuir en mi educación y ayudarme a lograr esta meta; nunca olvidare

lo que significa para mí ser mexicano; siempre procurare trabajar en pro de mi pueblo; único en el

mundo; pues su cobijo; sus alegrías, sus tristezas; su cultura; los llevare en todo momento en mi

corazón.

Al Instituto Politécnico Nacional; mi alma mater, gracias por darme la oportunidad de realizar mis

estudios a tu lado; por contribuir a mi formación académica, estaré orgulloso de ser Politécnico

donde quiera que me encuentre y procurare representarte dignamente en base a los ideales y la

cultura que has impregnado en mí.

A la UPIITA, Gracias por dejarme soñar con algo q parecía inalcanzable, gracias por largas noches

de desvelos, de cansancio, de lucha, gracias porque contigo compartí momentos difíciles, alegres,

gracias por reír, gracias por sufrir, gracias por ser mi amiga, gracias por ser mi consejera, gracias

por brindarme mi formación como ingeniero, gracias...........

Hace 4 años y medio aproximadamente me abriste tus puertas en busca de un solo día, el día que

por momentos creí que nunca llegaría y sin embargo ese día llegó, en tu seno me convertiste en

ingeniero, a partir de hoy te llevare en el corazón y en mi mente procurando practicar lo que me

enseñaste, puedo seguir dándote las gracias pero no es el caso; simplemente gracias por dejarme

cumplir mi sueño de ser Ingeniero en Mecatrónica!!!

A ti madre, cuando se trata de agradecer el amor, los valores, el impulso, la motivación, el cuidado,

la protección, los desvelos, y el sacrificio que tuviste para mí, las palabras se evaporan, el nudo que

me atraviesa la garganta me impide hablar, solo siento una gran emoción y un profundo

agradecimiento de haberte tenido como madre, no hay manera… ni una sola palabra que pueda

expresar el infinito agradecimiento que tengo hacía ti por todo lo hermoso que me diste.

En este momento los recuerdos tocan mi corazón, recuerdos hermosos de mi niñez, y tú siempre ahí,

junto a mí, impulsándome para lograr cualquier cosa que me propusiera, no hay día que no

agradezca a Dios, a la vida y al destino por darme la oportunidad que me dio de tener una madre

como tú, ayudándome en todo momento a realizar mi sueños, y lograr mis más grandes metas, la

vida sigue… Y aún es largo el camino, me faltan muchas más metas por cumplir, sueños que

realizar, y que no te quedé duda que lo haré, que todo lo que me enseñaste en cada segundo de mi

vida lo aplicaré para ser mejor…

Hace poco más de 2 años que no te veo a los ojos, hoy recuerdo esos ojos con los cuales me curabas

todos los males, me reconfortabas, me hacías sentir bien, hoy espero que esos ojos donde quiera que

estés me miren de esa forma, porque mama no te falle cumplí mi meta, ese sueño que era mío pero

que con el paso del tiempo lo hiciste tuyo también, ¡mama termine la carrera!!!! No te falle y sigo

aquí tal y como tú lo querías mama hoy me siento bien de haber concluido un ciclo más, no te

miento te extraño mucho, pero yo sabía que estabas ahí apoyándome en todo momento... hoy al

recordarte te digo que no te he olvidado sigues aquí conmigo e ilumíname desde donde estés para el

próximo paso a seguir!! ¡¡¡Gracias madre!!!!! LEONOR DEL VILLAR SANTOS †††

A Guadalupe Santos Arista, te conocí a través de los relatos de mi mama, hoy sé que tu estas

orgullosa de este logro y donde quiera que te encuentres quiero que sepas que te quiero mucho y

que nunca me olvidare de ti, de mis orígenes.

A Martha Rodríguez del Villar y Karla Monserrat Carmona Rodríguez, por apoyarme a mí y a mi

madre en momentos difíciles, pero sobre todo por el cariño y el amor que desde pequeño han tenido

hacia mí.

A mi tía, Ana María del Villar Santos por su apoyo y comprensión durante el desarrollo de mis

estudio a nivel superior, espero algún día poder compensar un poco de todo el apoyo que me ha

brindado con cariño y afecto.

A Sara y Ernesto que con su apoyo en momentos difíciles y sus consejos lograron levantarme el

ánimo y darme los deseos de cumplir con esta meta, siempre los llevare presentes en mi mente y mi

corazón.

A Gaby, gracias por existir, gracias por compartir todos estos momentos tan importantes de mi vida,

gracias por fijarte en mí, por dejarme disfrutar de tu presencia, por mirarme y por hablarme en

momentos difíciles, gracias por dejarme soñar contigo, por hacerme vivir de ti, por provocar la

ilusión que lleva tu nombre, gracias por elegirme, elegirme para acompañarte, elegirme para

caminar juntos por la vida, elegirme para sentir, gracias por respirar, andar, mirar, hablar,

despertar, sonreír, escuchar.....

Hace algunos meses esta meta parecía imposible, las noches y los días eran muy cortos y difíciles

todo parecía imposible; pero gracias a ti esos momentos quedaron atrás y hoy te puedo mirar a los

ojos y decir lo cumplimos, logramos juntos el sueño de ser ingenieros Gracias!!! Ingeniera en

Mecatrónica Gabriela Itzel Olivos Díaz.

Sé que todavía faltan muchos momentos por vivir y metas por cumplir; pero en tu compañía todo

esto que tenga que venir de hoy en adelante será más fácil en tu compañía.

A la familia olivos-Díaz, por su apoyo y comprensión a través de estos últimos meses, porque sin lo

anterior no hubiera conseguido esta meta gracias.

Al Dr. Alberto Luviano Juárez; gracias por confiar en mí, brindándome el beneficio de la duda para

sacar adelante este este proyecto, gracias por ser más que un asesor convirtiéndose en un amigo

dándome ánimos y consejos, porque sin ellos esto no hubiera sido posible; siempre llevare conmigo

sus enseñanzas.

A mi amigo Alan Espejel, por brindarme la oportunidad de ser su amigo, por cada vivencia que

pasamos juntos, porque a través del tiempo se ha convertido en un hermano que siempre se

preocupa por mí.

Al Ing. Emilio Nicéforo Brito Martínez, por la ayuda incondicional a lo largo de esta tesis, cada uno

de sus consejos y aportaciones que fueron invaluables para poder llegar al término de esta tesis,

gracias por la confianza y las palabras justas en el momento preciso.

Al profesor José Alfredo Bermúdez Sosa por ser mi tutor durante mis estudios en nivel superior,

convirtiéndose en un amigo para mí en el cual puedo confiar, sé que siempre tendrá un consejo cada

vez que lo necesite.

Al Ing. David Benjamín Trejo Salazar, por su apoyo en el desarrollo del esta tesis, el cual fue

indispensable para la culminación de este proyecto.

Al M. en C. Cesarí D. Rico Galeana, por las facilidades mostradas desde antes del inicio de esta

tesis, de hoy en adelante procurare trabajar duro para contribuir junto a él en pro del beneficio de

la educación de los jóvenes, gracias por confiar en mí para lograr esta meta.

Al Lic. Francisco Fabián Brizuela Bravo, por el apoyo brindado desde un principio, por cada

permiso para tener las facilidades de trabajar en este proyecto y lograr así el término del mismo.

A mi compañero Erik Sales Vázquez, por su apoyo en el manejo del Robot al término de esta tesis.

A todos mis profesores, desde las profesoras Catalina Cuevas Miguel y Mónica Sánchez que fueron

pilares en mi educación primaria, los profesores Roberto, Ricardo y José Alfredo, que durante sus

clases en la secundaria me inspiraron para ser ingeniero; a los Ingenieros Gustavo Gallegos

Maldonado y Adrián Guevara Soto por sus consejos y apoyo durante mi estancia en el CECyT No.3;

a los profesores Fernando Vallejo Aguirre, Fermín Acosta Magallanes, Luis Armando Villamar

Martínez, Jorge Fonseca Campos, Ramón Herrera Ávila, Carlos Ruiz Maldonado, Janet Arguello

García, Ramón Aguilar Gómez, José de Jesús Silva Lomelí, Adrián Castañeda Galván, Guadalupe

Flores Negrete, Erick López Alarcón, Eusebio Castillo Padilla, Sandra Martínez Solís, Adrián

Morales Blas, Víctor Darío Cuervo Pinto, José Alfredo Colín Ávila, Ariadna Carrillo Tenorio,

Leonel Germán Corona Ramírez, Mejía Méndez Juan Armando, Juan Roberto Rodríguez Bello;

profesores del nivel superior que contribuyeron con cada una de sus clases a mi formación como

ingeniero y gracias por el conocimiento que me transmitieron para lograr esta meta.

En especial a todas esas personas que no menciono en estas líneas, pero que siempre tendrán en mi

mente y mi corazón tendrán siempre una palabra de agradecimiento………….

DEDICATORIAS

A Guadalupe Santos Arista, gracias porque a través de mi mama te conocí, cuando las cosas no

salían bien yo sabía que tú estabas ahí apoyándome y dándome inspiración para lograr todo esto;

desde donde quiera que estés te pido, cuídame y guíame siempre para tomar la mejor decisión en lo

que venga para mí; siempre te llevare en mi corazón y en mis recuerdos.

A mi madre, con todo mi amor y mi cariño, por creer en mí, por luchar hombro a hombro, por el

esfuerzo realizado cada día, por el impulso en los días más difíciles de mi vida, por la calidez de sus

palabras en tiempos adversos, por el eterno agradecimiento de mi existencia, por tus desvelos, por

el deseo de cumplir una meta; va por ti Leo desde donde quiera que estés, no te falle aquí estoy tal

como lo queríamos y así seguiré hasta el día en que te vuelva a ver, gracias por darme la valiosa

oportunidad de existir.

A Gaby, ese ser especial que está presente en mi vida y fue la inspiración para terminar mi carrera

profesional y éxitos sin fin, gracias por haber reavivado el deseo de superación y el anhelo de

triunfo en la vida, fue el plus que necesitaba para llegar hasta el final, espero no defraudarte y

contar siempre con tu valioso apoyo, sincero e incondicional.

A Martha Rodríguez del Villar y Karla Monserrat Carmona Rodríguez, por su apoyo incondicional y

su cariño que siempre han tenido hacia mí, demostrado su apoyo en todo momento se que puedo

confiar y contar on ustedes incondicionalmente siempre que lo necesite, este trabajo realizado tiene

muchas partes diseñadas y fabricadas por inspiración y pensamientos hacia cada una de ustedes las

quiero mucho a las dos, y por su forma de ser tan especial de hacerme sentir bien en las peores

circunstancias; gracias tía por su fortaleza en los momentos más difíciles, sin saberlo me has

enseñado mucho, las dos saben que a pesar de la distancia cada día tengo un pensamiento para

ustedes y que pueden confiar en mi a pesar de la lejanía espero y me brinden la oportunidad de estar

en más momentos con ustedes porque pueden contar conmigo en las buenas y en las malas como un

integrante más de su familia, porque yo lo siento así….. Gracias

A mi tía Ana, porque nunca dudo de mí capacidad y siempre me incentivo con su apoyo y

comprensión a seguir adelante, por sus consejos y por su forma tan especial de hacerme sentir bien

en las peores circunstancias; gracias tía por su fortaleza en los momentos más difíciles, sin saberlo

me ha enseñado mucho…… Gracias.

A la familia Rojas Rodríguez, por confiar en mí para lograr esta meta, por su cariño y comprensión

en momentos difíciles a cada uno de ustedes a pesar de la distancia los extraño y considero para

todos mis planes a futuro, gracias por compartir conmigo todo esto lo quiero a todos, y ya quiero

conocer al nuevo integrante de la familia……Gracias.

A María Eleuteria Díaz Gonzales, por sus consejos comprensión y aprecio que me ha demostrado a

lo largo de estos últimos meses, por hacerme sentir que pertenezco en cualquier lugar que la

acompaño, por todos los viajes que vienen juntos, pero sobre todo por darme la oportunidad de

abrirme las puertas de su casa y el corazón de su familia voluntaria o involuntariamente

gracias…….

A Marcelino Olivos Oropeza por darme la confianza de estar conviviendo con su familia, porque a

pesar de su carácter serio, sé que siempre estará dispuesto a ofrecer consejos y ser atento con las

cosas que me pasan, junto a usted he aprendido a valorar la experiencia, por confiar en mí para

terminar este proyecto gracias……

A Diana Monserrat Olivos Díaz, por brindarme tu amistad y confianza, por tu apoyo y comprensión,

por verme y hacerme sentir parte de tu familia, por los aventones al camión en la mañana, te lo

agradezco, en estos meses te he empezado a tener aprecio y cariño, pero quiero que sepas que

siempre puedes contar conmigo cuando lo necesites……gracias

A Sergio Antonio Pérez Feliciano, gracias por tu apoyo, por brindarme tu confianza y amistad, por

comer golosinas juntos, pero sobre todo porque a través de la distancia te has mantenido constante

con todos nosotros, porque espero que esto te sirva de inspiración para continuar con tus estudios,

sabes que puedes contar con mi apoyo siempre que lo necesites…gracias

A la familia Olivos-Díaz, por brindarme la oportunidad en estos últimos meses de conocerlos y

compartir con ustedes vivencias, bromas, alegrías y tristezas….gracias

A Sara y Ernesto por su apoyo en momentos donde todo parecía perdido por arroparme en el

corazón de su familia y hacerme sentir un miembro más de ella gracias.

A las personas que están a mi alrededor en estos momentos, y por cuestiones de mi ingrata memoria

no los menciono, que puedo decir mis palabras no alcanzarían para agradecerles su apoyo y la

confianza que han depositado en mí, todo esto va por ustedes gracias.

“Diseño y construcción de un gripper experimental para instrumento

quirúrgico de corte adaptado al robot Mitsubishi® RM-V1”

I

Contenido

RESUMEN .................................................................................................................................... X

Palabras Clave .............................................................................................................................. X

Abstract ......................................................................................................................................... X

Keywords ...................................................................................................................................... X

OBJETIVOS ......................................................................................................................................XI

Objetivo general .......................................................................................................................... XI

Objetivos particulares ................................................................................................................. XI

JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................................... XIII

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... XV

CAPÍTULO I ....................................................................................................................................... 1

Antecedentes ........................................................................................................................................ 1

1.1 Estado del Arte ........................................................................................................................ 3

1.2 Robótica en medicina. ............................................................................................................. 3

1.2.1 Sistema quirúrgico Da Vinci® .......................................................................................... 6

1.2.2 Sistema quirúrgico Zeus® ................................................................................................. 9

1.2.3 Sistema quirúrgico Tonatiuh ........................................................................................... 10

1.3 Gripper´s y efectores finales .................................................................................................. 11

1.3.1 Gripper´s de los Sistemas Quirúrgicos Da Vinci® y ZEUS® ........................................ 13

1.3.2 Gripper multifuncional para extracción de granadas................................................... 15

1.4 Robótica cooperativa............................................................................................................. 17

CAPÍTULO II .................................................................................................................................... 20

El Robot Mitsubishi® RV-M1 .......................................................................................................... 20

2.1 Características generales ...................................................................................................... 21

2.2 Espacio de Trabajo (work space) ......................................................................................... 24

2.3 Operaciones básicas .............................................................................................................. 24



II

2.4 Tabla de especificaciones ...................................................................................................... 26

2.5 Normas de Seguridad y condiciones de operación. ............................................................ 27

2.6 Calculo del modelo dinámico del robot Mitsubishi® (RV-M1) ........................................ 27

2.7 Modelo dinámico del robot Mitsubishi® RV-M1 ............................................................... 27

2.8 Cinemática directa ................................................................................................................ 28

CAPÍTULO III .................................................................................................................................. 34

Principios quirúrgicos ....................................................................................................................... 34

3.1 La práctica quirúrgica .......................................................................................................... 35

3.1.1 Técnica .............................................................................................................................. 35

3.1.2 Manos y estabilidad .......................................................................................................... 35

3.2 Manejo del instrumental de corte ........................................................................................ 35

3.2.1 El bisturí o escalpelo ........................................................................................................ 36

3.3 Partes de un bisturí ............................................................................................................... 36

3.3.1 Mango del Bisturí ............................................................................................................. 36

3.3.2 Hojas de corte ................................................................................................................... 38

3.4 La técnica quirúrgica de incisión ......................................................................................... 40

3.4.1 Pasos para realizar una Incisión ....................................................................................... 42

CAPÍTULO IV .................................................................................................................................. 43

Proceso de diseño ............................................................................................................................... 43

4.1 La herramienta de trabajo ................................................................................................... 44

4.1.1 Bisturí y hojas de corte .................................................................................................... 44

4.2 Criterios Típicos de Diseño en un Efector Final ................................................................. 45

4.2.1 Lista de objetivos de diseño: ............................................................................................ 45

4.3 Selección de Materiales ......................................................................................................... 47

4.4 Diseño Mecánico. ................................................................................................................... 48

4.5 Extensiometría. ...................................................................................................................... 50

4.6 Galga extensiométrica ........................................................................................................... 51



III

4.7 Diseño de una celda de carga. .............................................................................................. 53

4.8 Montaje de las strain gage: ................................................................................................... 57

4.9 Ensamble ................................................................................................................................ 63

4.10 Diseño Electrónico ............................................................................................................... 65

4.11 Interfaz y lectura de datos .................................................................................................. 66

4.12 Trayectoria del robot Mitsubishi® RV-M1 ...................................................................... 68

4.13 Costos ................................................................................................................................... 69

CAPÍTULO V .................................................................................................................................... 71

Pruebas, experimentación y resultados ........................................................................................... 71

5.1 Experimentación y resultados .............................................................................................. 71

5.2 PRUEBA No.1 ....................................................................................................................... 73

5.3 PRUEBA No.2 ....................................................................................................................... 75

5.4 PRUEBA No.3 ....................................................................................................................... 77

5.5 PRUEBA No.4 ....................................................................................................................... 79

CAPÍTULO VI .................................................................................................................................. 82

Conclusiones ...................................................................................................................................... 82

6.1 Trabajos a futuro .................................................................................................................. 85

ANEXOS ............................................................................................................................................ 86

ANEXO A .................................................................................................................................... 87

Calculo del modelo dinámico del robot Mitsubishi® RV-M1 ............................................... 87

Parametrización del sistema ..................................................................................................... 87

Tabla de parámetros de Denavit-Hartenberg (D-H) .............................................................. 89

Transformaciones homogéneas ................................................................................................ 90

Transformaciones para marcos de articulaciones y de efector final .................................... 90

Transformaciones homogéneas para los centros de masa ..................................................... 93

Cálculo de Jacobianos para los centros de masa .................................................................... 94

Matriz de inercia H(q) ............................................................................................................... 99

Matriz de aceleraciones centrípetas y de Coriolis ................................................................ 102



IV

Vector de pares gravitacionales ............................................................................................. 103

ANEXO B ................................................................................................................................... 104

Referencias Anatómicas .......................................................................................................... 104

Planos y Posición Anatómica [29] .......................................................................................... 104

Plano sagital (medial) .............................................................................................................. 105

Plano frontal (coronal) ............................................................................................................ 105

Plano transversal ..................................................................................................................... 105

Direcciones en el espacio ......................................................................................................... 106

ANEXO C .................................................................................................................................. 107

Descripción de la ponderación ............................................................................................... 107

ANEXO D .................................................................................................................................. 111

Perspectiva del diseño final con respecto al diseño presentado en Trabajo Terminal I ... 111

Diseño Mecánico ...................................................................................................................... 111

Primer diseño mecánico. ......................................................................................................... 111

ANEXO E ................................................................................................................................... 118

HOJAS DE ESPECIFICACIONES ...................................................................................... 118

ANEXO F ................................................................................................................................... 132

Manejo del Teaching box y explicación de la sintaxis para el algoritmo de control y

movimiento del Robot Mitsubishi® RV-M1 ......................................................................... 132

Teaching box ............................................................................................................................ 132

Programación del robot .......................................................................................................... 133

Control de posición y movimiento ......................................................................................... 134

ANEXO G .................................................................................................................................. 136

PLANOS DE FABRICACIÓN .............................................................................................. 136

Referencias ....................................................................................................................................... 143



V

Índice de Figuras

Figura 1 Diferentes tipos de robots en la actualidad. ............................................................................ 2

Figura 2 La mecatrónica se relaciona con la medicina. ........................................................................ 3

Figura 3 Sistema Robótico y paciente durante una cirugía. .................................................................. 4

Figura 4 Manipulador maestro-esclavo. ................................................................................................ 5

Figura 5 Robot Da Vinci®. ................................................................................................................... 6

Figura 6 Componentes del robot Da Vinci®. ........................................................................................ 6

Figura 7 Técnica del robot Da Vinci®. ................................................................................................. 7

Figura 8 Tecnología Endowrist. ............................................................................................................ 8

Figura 9 Robot Zeus®. .......................................................................................................................... 9

Figura 10 Sistema quirúrgico ZEUS®. ................................................................................................. 9

Figura 11 Sistema Tonatiuh. ............................................................................................................... 10

Figura 12 Diferentes tipos de gripper´s o efectores finales. ............................................................... 11

Figura 13 a) Comprensión de la Biomecánica de la Garra del águila pescadora, b) Gripper de

gancho junto con ventosas para sujeción. 1) Almohadillas antideslizantes, 2) Garras, 3) Cilindro

neumático, 4) Objeto a sujetar, 5) Gancho y 6) Ventosa. ................................................................... 12

Figura 14 La mano del hombre. .......................................................................................................... 12

Figura 15 Diferentes tipos de gripper´s y sus funciones. .................................................................... 13

Figura 16 Gripper de Visión. ............................................................................................................. 14

Figura 17 a) Incisión tradicional, b) Incisión con un sistema robótico y c) Brazos y gripper s de los

sistemas robóticos quirúrgicos. ........................................................................................................... 14

Figura 18 a) Gripper sistema ZEUS®, b) Estructura general de un gripper de sujeción quirúrgico. 15

Figura 19 Gripper prototipo. ............................................................................................................... 16

Figura 20 a) Vena en la Fosa Antecubital, b) Robot Bloodbot. .......................................................... 16

Figura 21 Relación entre la posición y la fuerza del Robot al insertar la aguja para la extracción de

sangre. ................................................................................................................................................. 17

Figura 22 Robótica cooperativa no activa empleada en una célula de manufactura. .......................... 18

Figura 23 Robótica cooperativa activa en tarea de transporte de carga con una plataforma............... 18

Figura 24 Robótica cooperativa activa en forma de enjambre, exhibiendo gran movilidad y

flexibilidad para diversas tareas. ......................................................................................................... 19

Figura 25 Modelo del Robot RV-M1 en Mechanical Desktop® ........................................................ 21

Figura 26 Sistema General del robot Mitsubishi® (RV-M1). ............................................................. 22

Figura 27 Articulaciones del robot Mitsubishi® (RV-M1). ................................................................ 22

Figura 28 Analogía del brazo robótico Mitsubishi® (RV-M1) con el cuerpo humano. ..................... 23

Figura 29 Nomenclatura de las articulaciones del robot Mitsubishi® (RM-V1). ............................... 23

Figura 30 Espacio de trabajo del Robot Mitsubishi® (RV-M1). ........................................................ 24

Figura 31 Operación de los ejes en el Sistema Articular. ................................................................... 25

Figura 32 Operación en el sistema Cartesiano. ................................................................................... 25

Figura 33 Posición robot Mitsubishi para la cinemática inversa. ........................................................ 28

Figura 34 Desacople del robot. ........................................................................................................... 29

Figura 35 Marco de referencia para el cálculo de q1. ......................................................................... 30



VI

Figura 36 Diagrama geométrico para el cálculo de q3. ....................................................................... 30

Figura 37 Diagrama geométrico para el cálculo de q2. ....................................................................... 32

Figura 38 Bisturí estándar. .................................................................................................................. 36

Figura 39 Mangos de bisturí. ............................................................................................................... 37

Figura 40 Variación del tamaño del mango en diferentes bisturís. ..................................................... 37

Figura 41 Diferentes formas estándar de hojas de bisturí. .................................................................. 38

Figura 42 Morfología y uso de hojas de bisturí. . ................................................................................ 39

Figura 43 Diferentes dimensiones de las hojas de bisturí. .................................................................. 40

Figura 44 Forma de sujetar el bisturí al cortar. Se debe utilizar el vientre de la hoja. ........................ 41

Figura 45 Forma de sujetar el bisturí para una incisión precisa se toma en forma de lapicero. .......... 41

Figura 46 Diagrama de pasos durante una incisión. ............................................................................ 42

Figura 47 Estructura Básica del Bisturí. .............................................................................................. 44

Figura 48 Base. .................................................................................................................................... 48

Figura 49 Camisa. ............................................................................................................................... 48

Figura 50 Eje. ...................................................................................................................................... 49

Figura 51 Tapa. ................................................................................................................................... 49

Figura 52 Chaveta. .............................................................................................................................. 50

Figura 53 Hoja del bisturí.................................................................................................................... 50

Figura 54 Circuito puente de Wheatstone en arreglo de ¼ de puente. ................................................ 51

Figura 55 Galga extensiométrica. ........................................................................................................ 51

Figura 56 Definición de una galga extensiométrica. ........................................................................... 51

Figura 57 Modelos de galgas extensiométricas y rosetas. ................................................................... 52

Figura 58 Geometría mecánica para la celda de carga y posicionamiento de las galgas

extensiométricas. ................................................................................................................................. 53

Figura 59 Pieza de la celda dibujada en SolidWorks ®2011 para su posterior simulación. ............... 53

Figura 60 Simulación de las microdeformaciones. ............................................................................ 54

Figura 61 Acercamiento del área a montar las galgas. ........................................................................ 54

Figura 62 Microdeformaciones calculadas tomando en cuenta la gravedad y aplicando una fuerza de

5 N. ...................................................................................................................................................... 55

Figura 63 a) Pieza de galgas, b) Dimensiones de la pieza................................................................... 55

Figura 64 Piezas terminadas (a) Base, (b) Camisa, (c) Tapa, (d) Eje, (e) Chaveta y (f) Pieza Principal.

............................................................................................................................................................. 56

Figura 65 Galgas extensiométricas utilizadas. .................................................................................... 57

Figura 66 Desengrasante. .................................................................................................................... 57

Figura 67 Gasa. ................................................................................................................................... 58

Figura 68 Acondicionador. .................................................................................................................. 58

Figura 69 Galga extensiométrica sobre la cinta de celofán. ................................................................ 58

Figura 70 Cinta celofán. ...................................................................................................................... 59

Figura 71 Pegado de la galga en cinta celofán. ................................................................................... 59

Figura 72 Fluxar de la marca Vishay® ............................................................................................... 60

Figura 73 Montaje sobre la pieza principal. ........................................................................................ 60



VII

Figura 74 Catalizador. ......................................................................................................................... 60

Figura 75 Adhesivo. ........................................................................................................................... 61

Figura 76 Solvente de Tolueno. .......................................................................................................... 61

Figura 77 Colocación de los cables y papel de protección. ................................................................. 62

Figura 78 Pieza Principal terminada. .................................................................................................. 62

Figura 79 Ensamble Final. .................................................................................................................. 63

Figura 80 Ensamble del eje con la tapa. .............................................................................................. 63

Figura 81 70 Ensamble de la base con la camisa. ............................................................................... 63

Figura 82 Ensamble Base-Camisa-Tapa-Eje. ...................................................................................... 64

Figura 83 Ensamble del eje con la pieza principal. ............................................................................. 64

Figura 84 Ensamble final. ................................................................................................................... 64

Figura 85 Circuito eléctrico................................................................................................................. 65

Figura 86 Tarjeta Arduino Mega. ........................................................................................................ 66

Figura 87 Ambiente de programación de Arduino 1.0.1 ..................................................................... 66

Figura 88 Ventana del ambiente de programación al ejecutar el código de lectura y graficación en

Netbeans 7.1.2 ..................................................................................................................................... 67

Figura 89 Ambiente del programa MitsuCommSrvr. ......................................................................... 68

Figura 90 Gripper Montado en el Robot Mitsubishi® RV-M1. .......................................................... 72

Figura 91 PC conectada con el Robot Mitsubishi RV-M1. ................................................................. 72

Figura 92 Conexión del sistema del gripper y posición del objeto a cortar. ....................................... 73

Figura 93 Vista superior de la pechuga de pollo al realizar la primera incisión. ................................ 74

Figura 94 Vista superior de la pechuga de pollo al realizar la segunda incisión. ................................ 76

Figura 95 Vista superior de la pechuga de pollo al realizar la tercera incisión. .................................. 78

Figura 96 Vista superior de la pechuga de pollo al realizar la cuarta incisión. ................................... 80

Figura 97 En la imagen se puede observar la disposición de los eslabones que conforman la

arquitectura del robot RV-M1.El sistema cuenta con 5 GDL de tipo R. ............................................. 87

Figura 98 Ejes de movimiento de los eslabones, los cuales son importantes de definir, ya que, con

ellos, se establecerán los ejes z_i del sistema. ..................................................................................... 87

Figura 99 Disposición de los marcos coordenados que definen los eslabones del sistema robótico, así

como el movimiento que realizan. ...................................................................................................... 88

Figura 100 Posiciones anatómicas estándar del cuerpo humano. ...................................................... 104

Figura 101 Planos Anatómicos. ........................................................................................................ 105

Figura 102 Movimientos distal y proximal. ...................................................................................... 106

Figura 103 Movimientos no dominante y dominante. ..................................................................... 106

Figura 104 Piñón cremallera generada de la biblioteca de SolidWorks® 2011. .............................. 112

Figura 105 Soporte de empuje de la pieza de sujeción. .................................................................... 113

Figura 106 Eje guía del resorte tope del desplazamiento. ................................................................. 113

Figura 107 Resorte para la fuerza de reacción. ................................................................................. 114

Figura 108 Mecanismo de empuje. ................................................................................................... 114

Figura 109 Mecanismo de desplazamiento completo. ...................................................................... 115

Figura 110 a) Mango del bisturí, b) Colocación de las piezas de sujeción, c) Acoplamiento del

mecanismo de Soporte. ..................................................................................................................... 115



VIII

Figura 111 a) Montaje pieza principal y la colocación de la cremallera, b) montaje de los soportes de

los motores. ....................................................................................................................................... 116

Figura 112 Montaje del motor y del piñón. ....................................................................................... 116

Figura 113 a) Montaje de las piezas de adaptación lateral, b) Montaje en la base de la muñeca del

robot Mitsubishi® RV-M1. ............................................................................................................... 117

Figura 114 Adaptación final de las piezas superior e inferior al efector final y a la base de la muñeca

del robot Mitsubishi® RV-M1. ......................................................................................................... 117

Figura 115 Hoja de especificaciones de la galga extensiométrica. ................................................... 118

Figura 116 Data sheet LM7805 y LM7809 (Internal Block Diagram). ............................................ 119

Figura 117 Datasheet 7805 (Electrical Characteristics) .................................................................... 120

Figura 118 Datasheet LM7809 (Electrical Characteristics). ............................................................. 121

Figura 119 Datasheet LM7905 y LM7909 (Internal Block Diagram). ............................................. 122

Figura 120 Datasheet LM7905 (Electrical characteristics). .............................................................. 123

Figura 121 Datasheet LM7909 (Electrical Characteristics). ............................................................. 124

Figura 122 Datasheet AD620 (Features). .......................................................................................... 125

Figura 123 Datasheet AD620 (Specifications) 1. .............................................................................. 126

Figura 124 Datasheet AD620 (Specifications) 1. .............................................................................. 127

Figura 125 Datasheet TL084 y TL082 (Description). ....................................................................... 128

Figura 126 Datasheet TL084 y TL082 (Package Top View). ........................................................... 129

Figura 127 Datasheet TL084 y TL082 (Available Options). ............................................................ 130

Figura 128 Datasheet TL084 y TL082 (Schematic). ......................................................................... 131

Figura 129 Teaching box................................................................................................................... 133



IX

Índice de Tablas

Tabla 1 Robots y Sistemas Robóticos empleados en cirugía. ............................................................... 5

Tabla 2 Especificaciones generales del Robot Mitsubishi® (RV-M1). .............................................. 26

Tabla 3 Costo de la materia prima. ..................................................................................................... 69

Tabla 4 Costo Mano de Obra. ............................................................................................................. 70

Tabla 5 Definiciones de las variables para obtener la tabla de parámetros de D-H. ........................... 89

Tabla 6 Parámetros de las articulaciones del robot y del efector final. ............................................... 89

Tabla 7 Parámetros de los centros de masa del robot. ......................................................................... 89

Tabla 8 Parámetros físicos del sistema (medidas de cada uno de los eslabones). ............................... 91

Tabla 9 Funciones más utilizadas del Teaching box. ........................................................................ 132

Índice de Gráficas

Gráfica 1 Valores obtenidos de las mediciones en la primera prueba. ................................................ 74

Gráfica 2 Valores obtenidos de las mediciones en la segunda prueba. ............................................... 76

Gráfica 3 Valores obtenidos de las mediciones en la tercera prueba. ................................................. 78

Gráfica 4 Valores obtenidos de las mediciones en la cuarta prueba. .................................................. 80



X


quirúrgico de corte adaptado al Robot Mitsubishi® RV-M1”

RESUMEN

El presente trabajo terminal consiste en desarrollar el diseño de un gripper enfocado a tareas

quirúrgicas, mediante la adaptación de una herramienta de corte en este caso el bisturí, para realizar

tareas de incisión. El gripper diseñado será acondicionado al Robot Mitsubishi® (RV-M1), el cual

es un Robot compacto con la habilidad de operar en espacios reducidos. La implementación de este

dispositivo mecatrónico brinda una amplia gama de posibilidades hacia el desarrollo e investigación

de diferentes tipos de efectores finales para diversos sistemas robóticos en aplicaciones quirúrgicas.

Palabras Clave

Mecatrónica, Gripper, Efector final, Robótica, Diseño, Bisturí.

Abstract

This terminal work deals with the design of a gripper focused on surgical tasks by adapting a cutting

tool in this case the scalpel to perform incision tasks. The gripper is designed to be fit to Mitsubishi

® (RV-M1) Robot, which is a compact industrial robot with the ability to operate in constrained

spaces. The implementation of this mechatronic device provides a wide range of possibilities for

research and development of different types of end effectors, robotic systems for a wide class of

surgical applications.

Keywords: Mechatronics, Gripper, End effectors, Robotics, Design, Scalpel.



XI

OBJETIVOS

Objetivo general

Realizar el diseño y construcción de un prototipo experimental de efector final (gripper) adaptado al

Robot Mitsubishi® (RV-M1), el cual pueda manipular el bisturí para realizar operaciones de corte

sobre algún objeto colocado dentro de su área de trabajo con las restricciones de precisión en el

movimiento y normatividad que implica trabajar con este robot. Este prototipo servirá como modelo

preliminar para la creación de un sistema robótico, el cual en un futuro formará parte de una

aplicación en operaciones quirúrgicas.

Objetivos particulares

Llevar a cabo una revisión en la literatura sobre manipuladores o sistemas robóticos de

aplicaciones en medicina, que permita comprender a la perfección las técnicas y las

tecnologías que se aplican en estos, para obtener una visión más amplia del proyecto a

realizar.

Llevar una línea de trabajo concurrente para obtener resultados sinérgicos buscando la

funcionalidad del gripper.

Obtener el modelo cinemático y dinámico del robot Mitsubishi® (RV-M1), empleando el

algoritmo de Denavit-Hartenberg y la formulación de Euler-Lagrange.

Investigar los algoritmos de control del Robot Mitsubishi® (RV-M1), para generar

trayectorias.

Realizar el Diseño Mecánico para la adaptación del gripper al Robot Mitsubishi® (RV-M1).

Realizar el Diseño Asistido por Computadora de los Mecanismos que integran al efector

final, permitiendo una forma de construcción inteligente, con base a la revisión literaria y

haciendo uso de la metodología de diseño paramétrico de las piezas, evitando así la pérdida

de información y la duplicación de esfuerzos.

Hacer la selección de los sensores, actuadores y componentes a utilizar, necesarios para el

movimiento del manipulador, en base a los resultados obtenidos de la revisión literaria.



XII

Realizar el CAD total relacionando las condiciones de acoplamiento entre los distintos

componentes del ensamblaje.

Obtener los planos del CAD.

Realizar el maquinado físico de cada pieza, utilizando máquinas-herramienta.

Desarrollar un control de mando y la electrónica necesaria para generar las señales de control

que accionen las unidades de mando del efector final.

Establecer comunicación entre el control de mando del prototipo y la PC para la

transferencia de datos.

Realizar la integración de todos los componentes que conforman el gripper para que en

sintonía sinérgica tengan un proceso funcional y realizar pruebas.

Analizar los resultados obtenidos al implementar la mecatrónica en este tipo de aplicaciones

para visualizar trabajos a futuro.



XIII

JUSTIFICACIÓN

Los sistemas robóticos quirúrgicos empleados en la medicina surgen de la necesidad de mejorar las

técnicas empleadas en cirugía para beneficio del paciente; hoy en día son una realidad y

proporcionan diversas ventajas tanto para el cirujano como para el paciente, las cuales son las

siguientes:

Pueden ayudar a los cirujanos a realizar sus operaciones, tienen velocidad, repetitividad,

fiabilidad, precisión y buena relación costo rendimiento.

Además no experimentan fatiga, cualquiera que sea que dure la operación, no presentará

temblor y será capaz de realizar su trabajo adecuadamente en la décima o centésima

operación, tal como en la primera. También se logran entre otras cosas que no existan

desviaciones de la trayectoria planificada y alta seguridad con velocidades de ejecución y

maniobras totalmente predecibles.

Técnicamente tienen muchas características interesantes, el robot básico se le pueden agregar

muchas extensiones como por ejemplo; cámaras de video para el reconocimiento de

imágenes o un brazo mecánico con dos grados de libertad para poder tomar y manipular una

infinidad de objetos.

Al convertirse en una herramienta de trabajo, reducen el riesgo de infecciones para el

cirujano y el paciente.

Abren nuevas líneas de desarrollo e investigación para el tratamiento de diversas

enfermedades.

Después de someterse a una operación quirúrgica robotizada el paciente presenta un menor

tiempo de recuperación.

Con base en lo anterior, es de suma importancia que se realicen trabajos experimentales para

desarrollar este tipo de tecnología, la cual en un futuro sea capaz de bajar los costos de una cirugía

asistida por un Robot, agilizar el tiempo de programación y obtener más flexibilidad de trabajo del

robot, alcanzando con esto calidad en el tratamiento médico-quirúrgico de las personas.



XIV

El efector final como herramienta de trabajo es la parte fundamental de estos sistemas debido a que

actúa como la mano del cirujano, eliminando las desventajas de temblores existentes en éstas,

minimiza el error humano en cuanto a precisión y elimina la fatiga del cirujano tras largas horas de

operación, sin embargo la gama de gripper´s existentes en estas aplicaciones es reducida y se

desarrolla en base a la aplicación quirúrgica a la cual están basados estos sistemas.

Otra situación contemplada dentro del trabajo propuesto es la de iniciar y desarrollar futuros trabajos

enfocados a la utilización de robots aplicados a diferentes procedimientos quirúrgicos, debido a que

el avance de la cirugía robótica ha quedado estancado debido a las limitaciones de la tecnología y los

sistemas robóticos existentes hoy en día solo practican un número determinado de cirugías y por

ende falta cubrir necesidades en diferentes áreas de la medicina, donde se requiere aplicar las

ventajas mencionadas anteriormente, es en este punto donde se necesita desarrollar a través de la

Mecatrónica Sistemas Robóticos funcionales que contribuyan al beneficio de las técnicas

quirúrgicas, pero sobre todo a la calidad de vida del ser humano y la desarrollo tecnológico del país

en este rubro.



XV

INTRODUCCIÓN

¿MECATRÓNICA EN MEDICINA?

Ó

¿MECATRÓNICA APLICADA A LA MEDICINA?

La pregunta se basa en las necesidades del ser humano en encontrar el bienestar del mismo, creando

novedosos aparatos que presenten una integración sinérgica (principal característica de la

Mecatrónica) entre las diversas disciplinas que abarca la Mecatrónica; pero que a su vez el resultado

de esta unión sea de utilidad y alta funcionalidad para aplicaciones en el presente o futuro. Al crear

nuevas herramientas, estas tratan de ser útiles para nuestro beneficio, ayudando de alguna manera a

aquellos que por causa de un accidente o enfermedad sufren alguna amputación o alguna

discapacidad, por ende necesitan de algún miembro extremidades en su cuerpo, la Mecatrónica

contribuye a mejorar esta situación ya sea creando prótesis modernas adecuadas para ellos; en otras

situaciones creando y aplicando sistemas robóticos en cirugías, haciéndolas más prácticas para los

médicos y menos invasivas para los pacientes, mejorando notablemente la recuperación

postoperatoria de los mismos; son en síntesis ejemplos de nuevas alternativas en procesos médicos

que mejoran la calidad de vida de las personas.

Con la aparición de la Mecatrónica innovando en base a su filosofía de diseño e integración

sinérgicos; se puede decir del párrafo anterior que la Mecatrónica está presente en muchas disciplinas

ya no sólo de las ciencias físico matemáticas, sino ahora también enfocándose a otras áreas como la

Astronomía, la Biología, Química; y en nuestro caso la Medicina, apoyándolas en la generación de

instrumentos, haciendo sus técnicas más rápidas y eficientes, mejorando procesos, etc.; todo esto

gracias a su gran flexibilidad para proponer soluciones funcionales a diferentes problemáticas

presentes en este tipo de áreas.



1

CAPÍTULO I

Antecedentes

“A lo largo de toda la historia el hombre se ha sentido fascinado por máquinas y dispositivos capaces

de imitar las funciones y los movimientos de los seres vivos. Los griegos tenían una palabra

específica para denominar a estas máquinas: “automatos”. De esta palabra deriva el concepto actual

“autómata”: máquina que imita la figura y movimientos de un ser animado.”[1] El robot es por tanto

el epitome de la automatización.

La robótica es una rama de la ingeniería aplicada que involucra tener conocimientos de diferentes

áreas como la mecánica, la electrónica, la informática y el control automatizado; como tal la robótica

tuvo sus inicios por el año 1921, cuando un escritor checo-eslovaco Karel Capek (1980-1938),

utilizara el termino Robot el cual proviene de un vocablo checo (robota = trabajo realizado de forma

forzada) en el título de su obra teatral “Rossum´s Universal Robots”; la cual se basa en el hecho de

que unas máquinas con forma humanoide creadas por un grupo de científicos, se rebelan contra

estos destruyendo todo a su paso. Años más tarde el escritor americano de origen ruso Isaac Asimov

(1920-1992) fue quien retomo el término robot en sus obras literarias y sin lugar a duda, ha

contribuido decisivamente a la divulgación y difusión de la Robótica. Sin embargo, pasando de la

literatura de Karel Capek y de Isaac Asimov, donde se hacía referencia a máquinas de tipo

humanoide, el robot como máquina industrial lleva un desarrollo independiente del termino robot, se

ve reflejado desde las aplicaciones de los robots como manipuladores industriales y en las

definiciones de estos por parte de la Asociación de Industrias Robóticas (RIA) y de la Federación

Internacional de Robótica (IFR) [1].

RIA

“Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias,

piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para

realizar tareas diversas.”

IFR

“Por robot industrial de manipulación se entiende a una máquina de manipulación automática

reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias,

piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las

diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento.”



2

La evolución de la Robótica, ha crecido aceleradamente en los últimos años, tal es así que hace sólo

unos cuantos años se contaba con robots industriales, cuya estructura mecánica, programación y

control eran poco funcionales; los cuales eran empleados en tareas rudimentarias en la industria;

poco después con la aparición de la PC, tuvo una mejoría tanto en los lenguajes de programación y

en la interfaz de control que hicieron más flexible sus aplicaciones; hoy en día la robótica no solo

está presente en el sector industrial, sino también ya está presente en algunos hogares, hospitales y

áreas de investigación por mencionar algunos.

El futuro de la robótica es amplio, va desde realizar tareas en entornos difíciles o peligrosos en el

sector industrial, de exploración, en aplicaciones de servicio, investigación y telemanipulación;

pasando por un sinfín de tareas e incluso llegar a ser utilizada en las áreas de entretenimiento [1], ver

fig. 1.

Figura 1 Diferentes tipos de robots en la actualidad.



3

1.1 Estado del Arte

La Mecatrónica a través de diversos dispositivos y sistemas, busca ayudar en las necesidades que se

presentan con el paso del tiempo y lo está logrando por medio de la interacción con diferentes

disciplinas. Dejando atrás sus aplicaciones en el sector industrial, se encamina hacia nuevas áreas

como se ha mencionado anteriormente, una de estas áreas es la medicina fig. 2, a la cual auxilia no

solo en el tratamiento de pacientes, sino también a la evolución de la metodología de ésta; lo logra

mediante la innovación de diversos dispositivos o sistemas robóticos que permiten al cirujano tener

un mejor desempeño dentro de su práctica profesional.

Figura 2 La mecatrónica se relaciona con la medicina.

1.2 Robótica en medicina.

El origen de esta tecnología se remonta a las investigaciones realizadas por el doctor Richard M.

Stava, cirujano del ejército de Estados Unidos en 1992 [3-4], a cargo del ABTP (Advanced

Biomedical Technology Program), dependencia de investigación biomédica de la ARPA (Advanced

Research Project Administration), y del ingeniero Philippe Green del SRI (Stanford Research

Institute) en manipulación remota, con el objeto de atender emergencias en el campo de guerra desde

lugares seguros. Estos trabajos dieron como resultado el primer prototipo para realizar telecirugía:

cirugía de telepresencia o cirugía asistida por computadora, y que fue conocida originalmente como

sistema Green de telepresencia, con éste se realizaron los primeros tanteos de telemanipulación.

Fruto de investigaciones posteriores llevaron a la creación de Esopo [3], [4], el primer robot de uso

clínico en el mundo, diseñado como asistente del cirujano para conducir la cámara laparoscópica con

muy buenos resultados. Así se generó la segunda fase de este desarrollo: Hermes, robot que obedece

comandos de voz del cirujano, y Zeus, robot telemanipulador usado en plastias tubulares. Con todos

estos antecedentes nace el proyecto Zeus, con la idea de investigar el lugar que la robótica puede

tener en cirugía general en una primera fase y después en cirugía cardiaca, de columna vertebral y

cerebral [3], [5], [6].



4

En la actualidad con los avances tecnológicos no es de asombrarnos el incremento en el adelanto en

las técnicas médico-quirúrgicas; sin embargo no deja sorprendernos de el ver este tipo de máquinas

instaladas o deambulando por un hospital, diversos sistemas robóticos se encuentran realizando

diferentes tareas, haciendo la función de enfermeros distribuyendo medicinas en los pasillos a los

pacientes o efectuando la función de un cirujano operando a los pacientes en los quirófanos; solo por

mencionar algunas.

A pesar del avance que se ha tenido en la aplicación de robots a la medicina, éste no ha ido a la par

de otro campo de estudio importante como es el caso de la inteligencia artificial, la cual está en sus

primeros pasos y por ende está muy relegada con respecto de la inteligencia humana; su función,

como su nombre lo indica, busca dotar a las máquinas de una comprensión del medio ambiente para

la toma de decisiones y la posterior realización de tareas.

Debido a lo anterior los sistemas robóticos actuales empleados en cirugía no son capaces de realizar

por ellos mismos dichas intervenciones; es decir estos manipulan el instrumental quirúrgico, pero los

movimientos son manejados por un cirujano presente en la sala de operaciones. La mayoría de los

sistemas empleados en cirugía robótica se enfocan a tratamientos mínimamente invasivos o

procedimientos en los que se evita abrir las cavidades del organismo en favor de una cirugía cerrada

y local. El experto introduce un endoscopio en la cavidad que se va a estudiar (en el tórax, en el

abdomen, en la articulación, etc.) obteniendo una imagen de las estructuras en un monitor. Gracias a

esta visión, y con manipulación externa de otros instrumentos, se puede realizar la exploración de los

órganos que contiene la cavidad y operar sobre ellos, por lo cual está pendiente el desarrollo de esta

tecnología para realizar cirugías invasivas o que requieren un grado de dificultad mayor al operar [3],

[4], [5], fig. 3.

Figura 3 Sistema Robótico y paciente durante una cirugía.



5

Estos sistemas se clasifican en dos formas:

1.- Pasivos, cuando permiten ubicar y mantener en posición algunos instrumentos para facilitar al

cirujano el procedimiento quirúrgico.

2.- Activos cuando el robot mueve los instrumentos y realiza la cirugía.

En el segundo caso, estos sistemas funcionan con un implementación maestro esclavo, de acuerdo al

cual el robot manipula el instrumental, pero el cirujano el que le indica al robot la forma de hacerlo,

fig. 4. Los primeros robots pasivos dentro de estas aplicaciones relativamente sencillas como por

ejemplo biopsias estereotáxicas, donde el neurocirujano captura las características de tumor a operar

en una computadora que controla el robot con la aguja para tomar la muestra de tejido. En la tabla 1

se muestran los sistemas robóticos existentes [3-6].

Figura 4 Manipulador maestro-esclavo.

Sistema robot Tipo Aplicación

Zeus Maestro esclavo Cirugía de corazón, próstata, vesícula

Da Vinci Maestro esclavo Cirugía de corazón, próstata, vesícula

Inch-worm Activo Autónomo Colonoscopía

Probot Activo Cirugía benigna de próstata

Robodoc Activo Prótesis de cadera

Caspar Activo Prótesis de cadera

Minerva Activo Neurocirugía

AESOP Activo Manejo de cámara voz activado

Tabla 1 Robots y Sistemas Robóticos empleados en cirugía.

Dentro de los robots activos destacan principalmente el Sistema Da Vinci y el Sistema Zeus; a

continuación se muestran a detalle estos equipos dedicados a la cirugía robótica.



6

1.2.1 Sistema quirúrgico Da Vinci®

El proyecto Da Vinci® [7] ver fig. 5, nació en Montain View CA, USA en Intuitive Surgical Inc.

como un estudio aleatorio, prospectivo y controlado concurrentemente con un sistema de robot amo-

esclavo. Actualmente es el sistema de cirugía robótica más completo y desarrollado; consta de los

siguientes componentes principales: robot esclavo, instrumentos, interfaz gráfica y carro de vídeo o

de visualización, que aloja un equipo de iluminación dual y cámaras dobles de tres chips; la consola

del cirujano y el carro móvil, que sostiene los tres brazos para instrumentos y el brazo para la

cámara, fig. 6. La consola se compone de dos mandos que controlan los brazos robóticos con 7

rangos de movimiento, un ordenador y un sistema de imágenes en 3D. Un sensor de infrarrojos

detecta el momento en que el cirujano introduce la cabeza en la consola, activando inmediatamente

los dos mandos y los brazos robóticos.

Figura 5 Robot Da Vinci®.

Figura 6 Componentes del robot Da Vinci®.



7

Figura 7 Técnica del robot Da Vinci®.

El funcionamiento de los brazos robóticos del sistema Da Vinci® [6-8] es espectacular, fig. 7. Los

dos primeros, que representan la mano izquierda y derecha del cirujano, sirven para manejar una

serie de instrumentos quirúrgicos diseñados específicamente para esta máquina, denominados

Endowrist, fig. 8, mientras un tercero, que incorpora un endoscopio con dos sofisticadas mini-

cámaras de vídeo de alta resolución tridimensional, permite la visualización interna de toda la

operación; es como sumergir la cabeza dentro del cuerpo del paciente.

Si el cirujano necesita un mayor grado de detalle de la zona a intervenir, el sistema puede aumentar

hasta en 20 veces la imagen original o incluso, resaltar de forma automática una determinada zona,

todo ello, sin una perceptible pérdida de nitidez. Además, este tercer brazo, permite al cirujano

cambiar, mover y rotar fácilmente el campo visual del endoscopio, lo que representa una enorme

ventaja para el médico. Por último, la cuarta extremidad de la máquina, se dedica a la realización de

las tareas propias de un asistente de quirófano, separando tejidos durante la operación, o suturando

con enorme habilidad las heridas de las incisiones.

El nombre que reciben los mini-instrumentos quirúrgicos hace alusión a su tecnología “Endowrist”,

son fabricados específicamente para el sistema Da Vinci®, los auténticos ejecutores prácticos de la

intervención. Su cuidado e intuitivo diseño le permiten realizar una gama completa de movimientos

con los que puede imitar a la perfección los movimientos de la muñeca del cirujano. Cuenta con siete

tipos de movimiento y 90 grados de articulación, puede efectuar maniobras con una destreza superior

a la mano humana.



8

Figura 8 Tecnología Endowrist.

La línea Endowrist, que actúan mediante un cable interno simulando el funcionamiento de los

tendones humanos, incluye una gran variedad de herramientas como fórceps, agujas, tijeras,

escalpelo, electro cauterizador, etc., que permiten al equipo diseccionar, suturar o manipular los

tejidos más delicados con suma precisión. Los instrumentos, que se fabrican en diámetros de 5 a 8

milímetros, necesitan de una sustitución periódica cada 10/12 intervenciones con el objeto de

preservar su calidad.

Ficha técnica:

Número de brazos: 4 (3 para operar y uno endoscópico para visualizar).

Diámetro de las varillas del brazo robótico: 8 milímetros.

Tamaño de la incisión: De 1 a 2 centímetros.

Precio del sistema: 1,5 millones de euros.

Sustitución periódica del instrumental, cada 10/12 intervenciones.

Número de instalaciones: 354

El sistema de cirugía robótica da Vinci® también presenta inconvenientes; el principal de ellos

continúa siendo el del tamaño, que limita el espacio en la sala quirúrgica. También requiere un gran

número de delicadas conexiones que se encuentran dentro de la sala de operaciones y que pueden

causar accidentes o sufrir daños. Además, intervenciones tales como la resección del intestino, en las

que se hace necesario acceder a uno o más cuadrantes abdominales, obliga al montaje y desmontaje

de los brazos robóticos, lo cual conlleva un aumento en el tiempo de duración de la operación y de la

anestesia [6].



9

1.2.2 Sistema quirúrgico Zeus®

El sistema quirúrgico ZEUS® [9], fig. 9 consta de los siguientes componentes: consola del cirujano

de control ergonómico y tres mesas montadas en los brazos robóticos, que realizan tareas quirúrgicas

y proporcionan una visualización durante la cirugía endoscópica. Sentado en la consola con una vista

sin obstrucciones, el cirujano controla los brazos derecho e izquierdo de Zeus, que se traducen en

movimientos de la articulación en tiempo real. Un tercer brazo incorpora la tecnología de AESOP®

el cual es un posicionador endoscópico, lo que proporciona al cirujano una visualización ampliada

del campo quirúrgico interno en donde se desea trabajar [3]-[6].

Figura 9 Robot Zeus®.

Figura 10 Sistema quirúrgico ZEUS®.

El robot ZEUS® utiliza en sus brazos el control Microwrist, el cual es una tecnología similar a la de

Endowrist de Da Vinci; dicha tecnología traduce los movimientos del cirujano con la escala precisa y

reduce el temblor de las manos dl mismo por medio de un filtrado. Cuenta con seis grados de

libertad.



10

Ficha Técnica:

Número de brazos: 3 (2 para operar y uno endoscópico para visualizar comando por medio

de voz).

Diámetro de los efectores finales del brazo robótico: 3.5 a 5 milímetros.

Grados de libertad: 4 a 6 GDF

Puede escalar los movimientos de la mano del cirujano a través de un rango de 2:1 a 10:1.

La versión más reciente de Zeus utiliza una interfaz más ergonómica entre el cirujano y los

instrumentos robóticos Estos manubrios controlan instrumentos quirúrgicos que se articulan cerca de

sus puntas. El cirujano se sienta en un cómodo asiento frente al monitor de vídeo. La computadora

elimina los temblores del cirujano y puede ser programado para llevar los movimientos de las manos

del mismo en escala, en rangos que fluctúan entre 2:1 hasta 10:1.

1.2.3 Sistema quirúrgico Tonatiuh

En México este tipo de desarrollo de tecnología se viene dando de una manera muy lenta por lo cual

solamente el CINVESTAV del IPN ha hecho un acercamiento a esta tecnología con el robot

“Tonatiuh” ver fig. 11, tomada de [11], el cual es el nombre del dispositivo encargado de asistir en la

laparoscopía quirúrgica.

Los encargados de diseñar este robot son el Dr. Arturo Minor y el Dr. José Luis Mosso, este robot de

15 kilogramos de peso, está elaborado con materiales de aluminio, acero y teflón, miscelánea que

ayuda sin lugar a dudas a mantenerlo estéril sin necesidad de invertir recursos extraordinarios, es

decir, de bajo costo. La interfaz se realiza a través de una computadora y posteriormente fue

acondicionado para ser manipulado a través de una computadora portátil, se complementa con

periféricos adicionales [10].

Figura 11 Sistema Tonatiuh.



11

Los médicos previamente capacitados programan con antelación en software el criterio operativo del

robot y a través de un sistema electrónico que no requiere el soporte del software inicial, el

dispositivo es preparado para la asistencia quirúrgica. En la corta vida útil de Tonatiuh, se han

logrado más de 100 intervenciones exitosas por parte de los cirujanos que lo han usado y ha servido

para reducir espacio en los quirófanos al incrementar el rango de exactitud en cirugías de alta

precisión tales como: Colicectomías, Funduplicaturas de Nissen, Laparotomías, Seromiotomías,

Histerectomías Vaginales y Gastrostomías, por mencionar algunos.

1.3 Gripper´s y efectores finales

Un efector final es un dispositivo o herramienta conectada al extremo de un robot, con lo cual este

puede realizar diversas aplicaciones o tareas, la naturaleza de los efectores finales depende de la tarea

prevista. El termino gripper surge a partir de la designación con un nombre al dispositivo de agarre

o sujeción de los manipuladores robóticos en idiomas anglosajones principalmente, y adoptado a

nivel global como un sinónimo de efector final, fig.12

Figura 12 Diferentes tipos de gripper´s o efectores finales.

El desarrollo de la robótica, va a la par junto con la necesidad actual y su creciente demanda de los

trabajos que realizan los robots, es decir para cada aplicación determinada surge la necesidad de

caracterizar a los diferentes tipos de robots y enfocarlos a labores específicas, no importando su tipo

de configuración; esto se logra mediante la integración de un efector final o gripper , que es la

“mano” del robot; llegando a ser una de las partes más importantes del robot, es decir en la mayoría

de los casos el efector final es uno de los puntos clave para la tarea a desarrollar por el robot, por

ejemplo la fig. 13, tomada de [2]; asemeja una garra de un águila pescadora Haliaetus Pendion como

modelo preliminar y en éste basa su diseño, el águila caza peces con sus garras y los atrapa haciendo

una succión en el centro de la misma; utilizando además la biomecánica de la garra para sujetar un

cubo de hielo.



12

Figura 13 a) Comprensión de la Biomecánica de la Garra del águila pescadora, b) Gripper de gancho junto con

ventosas para sujeción. 1) Almohadillas antideslizantes, 2) Garras, 3) Cilindro neumático, 4) Objeto a sujetar, 5)

Gancho y 6) Ventosa.

Algunos investigadores llegan a la conclusión que la mano humana es un dispositivo avanzado

después de haber evolucionado por selección natural. Por lo tanto, esto señala aunque no de manera

definitiva, que los ingenieros deben imitar a las manos del hombre en el diseño y la construcción de

las pinzas o herramientas finales del robot, para obtener un mejor resultado, fig. 14.

Figura 14 La mano del hombre.



13

1.3.1 Gripper´s de los Sistemas Quirúrgicos Da Vinci® y ZEUS®

Como se ha mencionado en anteriores páginas de este documento, la tecnología existente en estos

dos sistemas (Endowrist y Microwrist), la cual culmina en los gripper’s o efectores finales de los

brazos manipuladores de estos sistemas y es precisamente ahí en donde se centra el trabajo del

cirujano, pues estos gripper´s desempeñan el papel de las manos del mismo; es decir, funcionan

como una extensión de su mano para realizar su labor médica [3], [4], [6], [12]. Cada instrumento

tiene una misión quirúrgica específica, como la sujeción, la sutura y la manipulación de los tejidos,

fig. 15. En su mayoría son fabricados en acero inoxidable y aluminio en combinación con polímeros

sintéticos.

Figura 15 Diferentes tipos de gripper´s y sus funciones.



14

La figura 16, muestra un efector final con cámaras acopladas que permiten una visión estereoscópica

de la cirugía, es decir una visión 3D.

Figura 16 Gripper de Visión.

Para llevar a cabo la cirugía de una manera mínimamente invasiva, un cirujano inserta directamente

herramientas largas como los instrumentos endoscópicos o laparoscópicos a través de incisiones de

unos 312 mm de diámetro, fig. 17-b. El movimiento de estos instrumentos es considerablemente

limitado por el punto de apoyo en cada punto de inserción, sin embargo permiten el movimiento sólo

en cuatro posibles grados de libertad (inserción, cabeceo, guiñada y balanceo) fig. 17.

Figura 17 a) Incisión tradicional, b) Incisión con un sistema robótico y c) Brazos y gripper s de los sistemas robóticos

quirúrgicos.

Estos modernos instrumentos laparoscópicos como instrumentos, con la tecnología Endowrist del

Sistema Quirúrgico Da Vinci, tienen articulaciones en el extremo distal de su eje, cerca de la pinza

proporciona más grados de destreza para facilitar la cirugía, llegando incluso a superar los

movimientos de la mano humana. Sin embargo, estas tecnologías (Endowrist y Microwrist) y otros

instrumentos laparoscópicos desarrollados y comercializados, no poseen la capacidad de detección

de la fuerza, su eficacia es aún limitada. Esto no demerita para nada el adelanto tecnológico que

poseen, destacando por demás su tamaño que no supera el de una moneda chica y con esto la mejoría

en los procedimientos en beneficio del paciente, fig. 17-c.



15

Figura 18 a) Gripper sistema ZEUS®, b) Estructura general de un gripper de sujeción quirúrgico.

La colocación de los sensores de medición de fuerza, es de suma importancia en los efectores finales,

regularmente se ponen en las puntas de la pinza de sujeción, sin embargo esto no es suficiente ya que

no se tiene un sensado de la fuerza adecuado, razón por la cual actualmente es uno de los problemas

a resolver.

Dicho problema lo trataran de resolver con una técnica de percepción háptica (la capacidad de

obtener un sensado kinestésico de la fuerza por medio de información táctil), esta juega un papel

muy importante en la cirugía, permite al cirujano sentir la dureza del tejido orgánico, medir las

propiedades de los tejidos, evaluar las estructuras anatómicas, con esto se pueden cometer acciones

apropiadas de control de la fuerza de manipulación de los tejidos. En la cirugía mínimamente

invasiva, la capacidad de los cirujanos de percibir la información háptica valor a través de los

instrumentos quirúrgicos se ve seriamente afectado. Realizar la cirugía sin la información sensorial,

podría conducir a un aumento en los traumas tisular y un daño importante tejido orgánico. Con el fin

de restaurar la capacidad de los cirujanos de percepción, los métodos de la fuerza y la detección táctil

se han aplicado en intentos de desarrollar instrumentos que se pueden utilizar para detectar las

fuerzas de contacto con el tejido y generar retroalimentación háptica para el cirujano.

1.3.2 Gripper multifuncional para extracción de granadas

Este prototipo de efector final desarrollado por la universidad de granada en Colombia, Resuelve el

problema de la extracción de granadas o artefactos explosivos que se alojan en el interior del cuerpo

humano por causa de algún disparo; y por lo cual su extracción representa un peligro para el paciente

y para el cirujano encargado de hacer la extracción del proyectil [13]. El gripper hace la operación

en 3 pasos: el primero consiste en hacer una incisión en el paciente, el segundo consiste en hacer a

un lado el tejido y por ultimo hacer la extracción del proyectil fig. 19.

Consta de 3 partes principales. Bisturí, pinzas de sujeción, y pinzas de extracción: está adaptado al

robot RV-E2 de la marca Mitsubishi®, el control lo hacen por medio de un microcontrolador

16F877 y un puente H en el integrado L238, en su fabricación se emplearon metales con el aluminio

y el acero inoxidable.



16

Figura 19 Gripper prototipo.

1.3.3 Efector final del robot Bloodbot

El Bloodbot [14] es un robot activo diseñado para tomar muestras de sangre de la fosa ante-cubital

(ACF), que es el área en el pliegue del brazo, donde las venas están cerca de la superficie de la piel

(fig. 20-a). Desarrollado por el l Departamento de Ingeniería Mecánica en el Imperial College de

Londres, en su laboratorio de Mecatrónica en Medicina [14]. Fabricado con materiales de aluminio,

acero inoxidable y polímeros de aplicaciones médicas.

Figura 20 a) Vena en la Fosa Antecubital, b) Robot Bloodbot.

El robot presenta una configuración cartesiana con motores paso a paso, el efector final es una

jeringa la cual controla mediante un sensor piezoeléctrico, el cual sensa la fuerza ejercida al

momento de insertar la aguja en el brazo, la localización de la vena la realiza mediante el control de

fuerza fig. 21, pues hay una variación importante en la fuerza aplicada en el tejido de la piel y en el

tejido de la vena, las primeras pruebas se realizaron en un material parecido a una gelatina, en el cual

se tenían una serie de tubos de goma, actualmente está en pruebas finales para su comercialización.

En el punto A, la sonda se inicia presionando sobre la piel. De B a C la posición de fuerza es lineal y

la pendiente de la línea representa la elasticidad del tejido. El gradiente es diferente si una vena está

presente.



17

Figura 21 Relación entre la posición y la fuerza del Robot al insertar la aguja para la extracción de sangre.

1.4 Robótica cooperativa

La colaboración es fundamental en la vida diaria, pues con ella se obtienen mejores resultados las

diferentes circunstancias de la vida, dentro de la sociedad esto se ve reflejado en las situaciones

difíciles que día tras día tienen que solventar no solo los seres humanos sino también los animales,

con el único fin de realizar un trabajo o una tarea que involucren un grado de complejidad y

dificultad muy alto [15].

Llevando esto al campo de la robótica; la cooperación es una interacción constructiva y sinérgica de

los robots en un sistema con el fin de realizar tareas complejas. Se pueden observar 2 tipos de

cooperación, dependiendo de la forma y medida en que se comunican los robots, y el grado de

autonomía de cada máquina.

1.-Cooperación no activa, los robots no se están comunicando. Sin embargo, es importante que cada

robot sea capaz de decirle a los otros robots que tarea está llevando a cabo y su posición en el

entorno o medio ambiente ene le cual están trabajando. Con esto se evitan condiciones adversas,

tales como las colisiones entre robots, que múltiples robots realicen la misma tarea al mismo tiempo

y en el mismo lugar, una distribución desigual de las máquinas en el entorno de trabajo fig. 22.



18

Figura 22 Robótica cooperativa no activa empleada en una célula de manufactura.

2.-Cooperación activa [16-17], los robots se comunican entre ellos mismos teniendo una y la apoyo

recíproco, estos son capaces de reconocerse uno a otro. En algunos casos, la cooperación activa

puede variar de flexible a robusta, la primera presenta la situación en la cual las máquinas son

conscientes de la existencia del otro y la función que está desempeñando pero no se comunican, la

segunda presenta la situación en la que cada robot se puede comunicar con cualquier otro o todos los

robots del sistema e intercambian información para lograr el avance y la terminación de estas tareas

fig. 23.

Figura 23 Robótica cooperativa activa en tarea de transporte de carga con una plataforma.

Algunos sistemas pueden ser diseñados para exhibir la movilidad de cooperación, en la cual dos o

más robots se pueden combinar en "equipos o sistemas especiales" para hacer frente a tareas

complejas o difíciles que un robot no puede realizar fig. 24. Los principales sistemas robóticos

enfocados a aplicaciones quirúrgicas, cuentan con un numero de brazos que varía de 2 a 5, en general

sus mecanismos y movimientos son similares; sin embargo el efector final cambia en cada uno, estos

pueden ir desde pinzas hasta cámaras de video, actualmente se están desarrollando efectores finales

para hacer más seguros y funcionales dichos sistemas.



19

Figura 24 Robótica cooperativa activa en forma de enjambre, exhibiendo gran movilidad y flexibilidad para

diversas tareas.

La razón fundamental es que estas aplicaciones involucran entornos dinámicos, con condiciones

cambiantes para la percepción. En la mayoría de las ocasiones, un solo agente (por ejemplo un robot

o una cámara) no permite conseguir la robustez y eficacia necesarias. En estos casos, la cooperación

de diferentes agentes (robots, sensores en el entorno, etc.) puede ser muy relevante y llevar a tener

una alta funcionalidad.



20

CAPÍTULO II

El Robot Mitsubishi® RV-M1

Dentro de los manipuladores existentes en el mercado los robots de la marca Mitsubishi®, son los

más utilizados en instituciones de educación superior, regularmente son instalados en los laboratorios

CIM; debido a su gran versatilidad y flexibilidad para realizar diferentes tareas, tales como, mover

materiales, piezas, manipular herramientas, etc.; aunque también tienen un amplio campo de acción

sobre trabajos de experimentación como es en nuestro caso; no obstante igualmente se utilizan en

aplicaciones cada vez más extensas en el sector industrial; no obstante la arquitectura cerrada que

trae de fábrica limita un poco sus aplicaciones.

De lo anterior se observa la gran necesidad que los alumnos de instituciones de educación superior

entren en contacto con este tipo de manipuladores, pues es de vital importancia para la situación del

desarrollo económico de nuestro país; logrando con esto pasar de la simulación de estos robots a un

entorno práctico en el cual se tiene la posibilidad de lograr un primer acercamiento a un posible

campo laboral.

El IPN cuenta con diferentes tipos de manipuladores de esta marca, distribuidos en las diferentes

escuelas de nivel superior a lo largo de todas sus unidades académicas; en la UPIITA se cuenta con

dos manipuladores de este tipo, uno instalado en el laboratorio de Robótica Avanzada y el otro en el

laboratorio del CIM. También se tiene conocimiento que el CINVESTAV unidad Zacatenco en el

área de Ingeniería Eléctrica la sección de Mecatrónica cuenta con manipuladores de este modelo. Se

han realizado trabajos para alrededor de este modelo tanto para diversas materias como para trabajos

terminales, de la utilización de este modelo han salido tanto prácticas como proyectos de

investigación, por lo cual se convierte en un factor importante para el entorno de la UPIITA.

El Mitsubishi® RV-M1 del laboratorio de Robótica Avanzada, cuenta con un modelo de arquitectura

abierta, la cual convierte a este robot en un manipulador didáctico apto para realizar experimentos de

diferentes envergaduras; pueden ir de movimientos de tomar una pieza y dejarla en otro lugar (pick

and place) controlado con un sistema de visión dentro de un célula de manufactura, y

experimentación acondicionando algún efector final para una determinada tarea.

A continuación se explican unos conceptos sobre este manipulador, los cuales se tienen que tomar en

cuenta para el diseño de nuestro gripper; en especial la parte del diseño de la adaptación, lo que hace

necesario comprender el entorno de trabajo de este robot.



21

2.1 Características generales

El robot Mitsubishi® RV-M1 (fig. 25), cuenta con diferentes componentes principales de fábrica

como: una unidad de control (D/U, por sus siglas en ingles) y una caja de enseñanza (teaching box ó

teach pendant), de tal forma que su operación se realiza utilizando la caja de enseñanza o la unidad

drive conectada a una computadora personal.

Figura 25 Modelo del Robot RV-M1 en Mechanical Desktop®

Este manipulador cuenta con cinco grados de libertad (DOF). Su capacidad de carga es de 1.2 Kg

sin incluir el peso del efector final adaptado a él. El sistema que permite operar el robot se puede ver

en la figura 26 y se encuentra constituido por:

Brazo articulado.

Efector final (gripper, intercambiador de herramientas o sensor).

Teaching box.

Controlador.

Cables de conexión.

Computador con software para establecer comunicación con el robot.

El manejo del Teaching box, así como de las instrucciones para el algoritmo de control se explican

en el ANEXO A

El brazo cuenta con cinco articulaciones que se pueden observar en la figura 27 y en el siguiente

listado:

J1: cintura.

J2: hombro.

J3: codo.

J4: pitch.

J5: roll.



22

Figura 26 Sistema General del robot Mitsubishi® (RV-M1).

Figura 27 Articulaciones del robot Mitsubishi® (RV-M1).



23

Por la configuración que presenta se suele hacer una equivalencia con el cuerpo humano, punto

importante para desarrollar el diseño del efector final, fig. 28.

Figura 28 Analogía del brazo robótico Mitsubishi® (RV-M1) con el cuerpo humano.

Con dicha analogía se establecen los ejes de rotación del robot. Las articulaciones del brazo se

componen por la unión de dos de sus partes y un eje de rotación “J” en cada una de ellas [18].

El eje J1, es el eje que permite movilidad en la cintura del brazo, el eje J2 en el hombro, el eje J3 en

el codo, el eje J5 permite movilidad sobre el eje de la muñeca y el eje J4 permite movilidad

perpendicular a J5 fig. 29.

Figura 29 Nomenclatura de las articulaciones del robot Mitsubishi® (RM-V1).



24

2.2 Espacio de Trabajo (work space)

Consideraciones:

- El espacio de trabajo de operación mostrado en la figura 30, no contempla que la mano

(gripper o efector final) esté instalada.

- La operación de cabeceo de la muñeca se puede restringir en algo del área dependiendo de

las posiciones del brazo superior y antebrazo.

- La operación manual debe realizarse con especial cuidado porque la muñeca puede interferir

con la base del robot y la superficie del piso.

Figura 30 Espacio de trabajo del Robot Mitsubishi® (RV-M1).

2.3 Operaciones básicas

El robot Mitsubishi cuenta con dos modos básicos de operación:

- Operación de los ejes en el sistema articular fig. 31.

Consideraciones básicas:

El sentido positivo de operación de los ejes J1 y J5 es el de las manecillas del reloj

visto desde las flechas A y B, respectivamente.

El sentido positivo de operación de los ejes J2, J3 y J4 es en la dirección hacia arriba

del brazo y la muñeca.



25

Figura 31 Operación de los ejes en el Sistema Articular.

- Operación de los ejes en el sistema cartesiano fig. 32.

Consideraciones básicas:

El movimiento en el sistema cartesiano se realiza alrededor del punto central de la

herramienta, y este punto central es el que se mueve a las coordenadas especificadas.

Figura 32 Operación en el sistema Cartesiano.



26

2.4 Tabla de especificaciones

Objeto Especificaciones Comentarios

Estructura Mecánica 5 Grados de libertad DOF

con articulaciones verticales

Rango de

operación

Rotación de la

cintura

300° (Velocidad

máxima 120°/ seg) Eje J1

Rotación del

hombro

130° (Velocidad

máxima 72°/seg) Eje J2

Rotación del

codo

110° (Velocidad

máxima 109°/ seg) Eje J3

Muñequeo,

rotación con

respecto a un

eje

perpendicular

±190° (Velocidad

máxima 100°/seg) Eje J4

Muñequeo,

rotación sobre

su propio eje

± 180° (Velocidad máxima

163°/seg) Eje J5

Longitud

del brazo

Brazo 250 mm

Antebrazo 160 mm

Capacidad de carga Máxima 1.2kgf (incluyendo

el peso del efector final)

75 mm de brazo de palanca

desde el final del antebrazo al

centro de gravedad de la pieza

de trabajo

Velocidad máxima de carrera 1000mm/seg (superficie de la

muñeca de la herramienta)

Velocidad en el punto P de la

figura. 1.3.4

Precisión del movimiento

0.3 mm (centro de balanceo

de la superficie de la

herramienta de muñeca)

Sistema de Control

Servo controlador eléctrico

mediante motores de

corriente directa

Peso del Robot Aprox. 19 kgf

Capacidad de los motores Ejes J1 a J3 30W, ejes J4 y

J5 11 W

Tabla 2 Especificaciones generales del Robot Mitsubishi® (RV-M1).



27

2.5 Normas de Seguridad y condiciones de operación.

Durante el manejo y la operación se deben tener en mente ciertas consideraciones de seguridad

como:

Verifique que el robot se encuentre libre de obstáculos.

Verifique que el cableado no esté enrollado para el libre movimiento del robot.

Observar donde se encuentra instalado el switch de paro de emergencia.

No deje objetos dentro del área de operación del robot.

El robot debe ser operado dentro de los límites de seguridad establecidos.

No tocar ninguna parte del brazo en movimiento cuando esté operando.

Maneje el robot con el control de paro de emergencia a la mano.

Desenergice el robot para cualquier ajuste.

Nunca darle la espalda al robot cuando esté funcionando.

Usar el robot y la unidad de control dentro de un rango de temperatura de 5°C a 40°C.

2.6 Calculo del modelo dinámico del robot Mitsubishi® (RV-M1)

La investigación del modelo dinámico de este manipulador está enfocada, a tener una mayor

comprensión sobre los movimientos que realiza este manipulador y realizar simulaciones para lograr

un mejor diseño del efector final, los cálculos correspondientes para obtener el modelo dinámico y la

cinemática directa e inversa a través del algoritmo de Denavit-Hartenberg y la formulación de Euler-

Lagrange se presentan en el ANEXO A.

2.7 Modelo dinámico del robot Mitsubishi® RV-M1

El modelo dinámico del robot manipulador tipo tiene la siguiente forma [20]:

Donde H (q) Є R5x5

es la matriz de inercias determinada anteriormente, los términos de C (q,𝑞 ) Є

R5x5



28

Con Ti es el par de las articulaciones i. La matriz D de fricciones viscosas es:

2.8 Cinemática directa

En base a las matrices de transformación de DH (Anexo B), obtenemos de la cuarta columna (O05),

las coordenadas x, y, z que nos llevan del marco base al efector final. Por lo tanto, la cinemática

directa está definida de la siguiente forma:

2.9 Cinemática inversa

Figura 33 Posición robot Mitsubishi para la cinemática inversa.

Auxiliándonos de la posición que guarda el robot en figura 33, se procederá a resolver la cinemática

inversa, realizamos primero un desacople cinemático, entre los GDL de posición y los de orientación

como se muestra en la figura 34.



29

Figura 34 Desacople del robot.

Por lo tanto necesitaremos definir la tarea que realizaran para las articulaciones de orientación y otra

que realizarán las articulaciones de orientación, las cuales se obtendrán de la trayectoria desarrollada

por medio de la siguiente fórmula:

Con:

Por lo que, despejando O03 obtendremos la tarea, en el espacio operacional, que realizarán las

articulaciones q1, q2 y q3 [19]:

Vemos que para las variables q4 y q5 puede proponerse cualquier valor real, siempre y cuando éste

valor no esté fuera del rango de trabajo de los actuadores (300º para q4 y 360 para q5). El valor de q4

y q5 propuestos se restan la posición deseada como se puede ver en la ecuación anterior, lo cual nos

dará la posición que debe tener el centro de la muñeca (xc, yc, zc). Ahora, procedemos a realizar un

análisis geométrico para determinar la cinemática inversa de las articulaciones que nos determinan la

posición (q1, q2 y q3).



30

Para el cálculo de q1:

Figura 35 Marco de referencia para el cálculo de q1.

Observando la figura, obtenemos que:


Figura 36 Diagrama geométrico para el cálculo de q3.



31

Del triángulo ABC, por ley de cosenos:

Despejando β:

De la figura también observamos que:

Si calculamos el coseno de la ecuación anterior:

Por lo tanto:

Si definimos:

Entonces, podemos obtener q3 por medio de un arcotangente:



32

Donde el signo positivo se ocupará cuando se utilice una configuración codo arriba y el signo menos

cuando se utilice una configuración codo abajo.


Figura 37 Diagrama geométrico para el cálculo de q2.

De la figura 37 observamos lo siguiente:

Por lo que:

Por lo tanto:

Por lo tanto, la cinemática inversa completa calculada es la siguiente [19]



33



34

CAPÍTULO III

Principios quirúrgicos

Se tienen conocimientos que el ser humano practica la cirugía desde hace mucho tiempo, en la

prehistoria cuando aún era nómada y vivía a la intemperie o se resguardaba en cavernas; las

necesidades de ese entonces lo hicieron adoptar diversas habilidades para curarse de las heridas que

eran provocadas por las diversas situaciones, tales como heridas durante la cacería o en algunas riñas

o peleas, trepanaciones básicas, el empleo de la circuncisión, etc.

Las primeras técnicas quirúrgicas se emplearon para el tratamiento de las heridas y traumatismos

producidos en el curso de la vida a la intemperie. Estos se realizaban de una forma dolorosa,

insalubre cuyos efectos secundarios insoportables, aplicando amputaciones y métodos dolorosos para

los pacientes de aquellas épocas.

Sin embargo la mayoría de las intervenciones o prácticas quirúrgicas empíricas de aquel entonces

eran motivadas por la religión o fundamentadas en pensamientos mágicos o tradiciones, así

descartando algunos procedimientos en que se drenaban inflamaciones o abscesos del cuerpo, con lo

que se lograba una mejoría en la salud, esto si después de la intervención el paciente sobrevivía a la

infección.

Durante el siglo XIX, se dan nuevos avances en la medicina con instrumentos con los cuales se

podrían hacer una cirugía sin hemorragias, infección y dolor, empleando técnicas anestésicas y rayos

X.

Hoy en día todas estas situaciones han cambiado por completo, ya no se buscan hacer intervenciones

quirúrgicas por creencia o religión, sino por bienestar del ser humano y la conservación de la salud,

el ambiente de estas prácticas también ha cambiado realizándose en instalaciones adecuadas, con

personas capacitadas para ello, herramientas e instrumentos especializados, en buenas condiciones de

asepsia e higiene y un hablar de los diferentes tipos de fármacos o medicamentos que protegen de la

infecciones, curan el dolor y desinflaman tejidos o órganos.



35

3.1 La práctica quirúrgica

La práctica de la cirugía con el paso del tiempo hace al médico dominar por experiencia las técnicas

empleadas en el tratamiento de los pacientes. Sin embargo, una buena cirugía depende de la

combinación de una toma de decisiones adecuada y de una realización técnica cuidadosa,

demandando por otra parte control en la situación y tranquilidad en cada paso del procedimiento, en

síntesis se le exige en todo momento concentración y tranquilidad en todos los parámetros al cirujano

durante una intervención.

3.1.1 Técnica

La palabra técnica desde su origen del griego techne= arte, habilidad, tiene dos enfoques: el primero

se emplea para indicar gracia y elegancia en una actividad por un músico o un cirujano, la segunda es

la habilidad para realizar a la perfección una tarea; de esta última partimos hacia una dirección en la

cual se exige práctica y concentración, el cirujano debe pasar tiempo de entrenamiento para poder

explotar sus habilidades aprendidas debido a que le ayudaran en los aspectos vitales y en la toma de

decisiones durante la intervención quirúrgica.

3.1.2 Manos y estabilidad

Como en todo arte, oficio o profesión; la habilidad debe estar presente, pero en el caso del cirujano

no existe una mano ideal, la morfología de la mano no tiene que ver con la capacidad de

manipulación del instrumental quirúrgico, pero si depende en gran medida de sus peculiaridades

morfológicas en su movimiento.

Todos presentamos cierto temblor en la mano cuando extendemos el brazo y los dedos; esto se

incrementa cuando se sujetan instrumentos con gran longitud y se potencializa con la ansiedad; los

cirujanos en la medida de lo posible hacen todo por controlarlo, por medio de practicar situaciones

como: pararse derecho y con los brazos extendidos, apoyar los codos en una mesa o, apoyando el

talón de la mano o el meñique sobre la mesa.

3.2 Manejo del instrumental de corte

Las herramientas de trabajo del cirujano han evolucionado mucho y han alcanzado un alto nivel de

perfección, se deben manejar con cautela debido a que son las extensiones de la mano del cirujano

durante la cirugía, es por ende que la práctica quirúrgica debe estar precedida de un conocimiento

básico de todos los instrumentos que se emplean para los diversos procedimientos y manipulaciones

que se utilizan en cirugía.



36

3.2.1 El bisturí o escalpelo

Es un instrumento de corte de tipo cuchillo, los hay en múltiples estilos y presentaciones fig. 38, es el

instrumento tradicional y más importante de corte del cirujano [21]; en general es desechable, pero

también suele ser de mango fijo reutilizable y hoja desechable, en esta última situación se debe

retirar la hoja haciendo uso de unas pinzas por el extremo no afilado después de su uso y nunca

retirarla con los dedos, fabricado generalmente con acero inoxidable o aleaciones resistentes a la

oxidación

Figura 38 Bisturí estándar.

3.3 Partes de un bisturí

Como se mencionó en el párrafo anterior el bisturí reutilizable está formado por 2 partes: el mango y

la hoja de corte.

3.3.1 Mango del Bisturí

El primer prototipo de mango del bisturí tenía forma de espátula y unas acanaladuras en el extremo

opuesto a la cuchilla para facilitar su sujeción por la mano del cirujano. Algunos mangos de bisturí

tienen pequeños tornillos que se deben quitar para reemplazar a las hojas de bisturí, mientras que

otros tienen una característica en el complemento para asegurar las láminas para eliminar la

necesidad de tornillos, fig. 39.

El mango de un bisturí cumple dos funciones principales: por un lado el cirujano realiza el agarre del

bisturí y por otro lado sujeta la hoja de corte. Su morfología es simple y por lo regular presenta una

geometría similar a la de una prima rectangular, el cual tiene en un extremo un pequeño mecanismo

para sujetar la hoja de corte.

Los mangos de bisturí se distinguen por su número y no por un nombre, las diferencias en estos

mangos de bisturí radican en el tamaño, y la forma de las ondulaciones en sus caras laterales para

mejorar el agarre, el mango está hecho generalmente de cromo o acero inoxidable, aunque es

mayormente fabricado en este último, el cual tiene características de alta resistencia a la corrosión.

Según su forma y tamaño, los mangos de bisturí se nombran con un número [22]. Los más usados

son los mangos números 3, 4 y 7; los cuales utilizan hojas del 10 al 15 y del 20 al 25,

respectivamente.

El número 3 es utilizado en trabajos de mucha precisión, para cortes más finos y en planos para

trabajar sobre órganos internos, el número 4 se utiliza para el corte de piel en incisiones amplias

como en la pared abdominal; también utilizado aunque en menor medida el mango número 7 que es

útil en trabajos de mucha precisión en planos profundos con hojas del 10 al 15.

http://www.wisegeek.com/what-are-the-different-types-of-scalpel-blades.htm



37

Figura 39 Mangos de bisturí.

Dimensiones del mango un bisturí

Los mangos del bisturí [22], fig. 40, varían en longitud, pero en general son cerca de 5 pulgadas (12

cm hasta 13 cm) de largo, 0.1 pulgadas (2.4mm hasta 3 mm) de ancho y .4 pulgadas (9.5mm hasta

12.5mm) de alto, las variaciones en tamaño tienen lugar debido al fabricante [23]-[24]. En general el

ancho y la altura no superan los rangos antes mencionados; es la longitud la que presenta una

variación más amplia como se puede observar en la fig. 40

Figura 40 Variación del tamaño del mango en diferentes bisturís.



38

3.3.2 Hojas de corte

Las hojas de bisturí [22] son también de acero inoxidable o de acero al carbono se fabrican en varios

tamaños y formas según el mango que se utilice y el uso al que se destinen. Vienen en envases

individuales, generalmente metálicos, esterilizadas por gas o rayos gamma fig. 41.

Figura 41 Diferentes formas estándar de hojas de bisturí.

Las hojas de bisturí [26], presentan diferente morfología, son fabricadas especialmente para una

aplicación en especial y que ajusten perfectamente en los mangos adecuados para tal situación fig.41.

Entre ellas se encuentra la hoja #10, que tiene una espalda recta y una curva de vanguardia. Utilizada

en cirugía para cortar la piel y el músculo, que es compatible con los mangos del # 3 y # 7.

La hoja no. 11 se utiliza para cortar con precisión, con una punta plana en la parte posterior e

inclinada en el filo, está diseñada para los mango del # 3 y # 7. La pequeña, puntiaguda y forma de

media luna de la hoja no. 12, con el borde afilado interior, está hecha para los mangos 3 y 7.

La hoja del #15 tiene un borde cortante curvo más pequeño y corto que la del # 10. Esta hoja también

se adapta a los mangos #3 y #7, es más pequeña para hacer incisiones minúsculas, como las que se

realizan en las intervenciones pediátricas.

Las hojas # 20 y # 21 tienen básicamente la misma forma varían un poco en su curvatura de corte y

distinto tamaño, se utilizan con el mango #4, para aplicaciones de cirugía menor o delicada de áreas

profundas.

La hoja # 22 es una versión más grande de la hoja de bisturí #10, tiene el mismo uso de corte es

compatible con el mango del #4.

Las hojas #23 y #24 son similares en cuanto al tipo del ángulo de corte, son útiles en hacer cortes de

esquina, compatibles con el mango #4. La hoja # 25 es de forma triangular, útil en espacios

reducidos, adaptable al mango #4.



39

La hoja # 60, es similar a la # 10, pero con una punta triangular y de punta larga para incisiones

pequeñas, hecha para el mango #4.

Figura 42 Morfología y uso de hojas de bisturí. .

Como se mencionó anteriormente la morfología y las dimensiones [25-26] de las hojas de bisturí son

muy variadas de acuerdo de acuerdo a la aplicación que se les destine; sin embargo para presentan

variaciones comunes en cuanto a la altura y la longitud fig. 42y 43.



40

Figura 43 Diferentes dimensiones de las hojas de bisturí.

3.4 La técnica quirúrgica de incisión

Se puede utilizar para realizar cortes precisos en los tejidos, en la piel o separar los tejidos para llegar

a una zona determinada, la presión en el corte se debe de controlar porque condiciona la profundidad

del corte, no se debe ejercer una presión excesiva que podría causar un corte no controlado [27]

Cuando se corte la piel o estructuras similares se debe colocar el bisturí al igual que un cuchillo de

mesa; se debe sujetar en forma horizontal, suspendido por debajo de la mano probada y sujeto entre

el pulgar y el dedo anular, el dedo índice tiene que ser colocado en la parte posterior del bisturí en la

base de la hoja para controlar la presión ejercida, el mango se debe coger con los dedos anular y

meñique para reforzar la base de sustentación y apoye el extremo del mango en la eminencia

hipotenar fig. 44.



41

Figura 44 Forma de sujetar el bisturí al cortar. Se debe utilizar el vientre de la hoja.

En caso de realizar una punción pequeña o una incisión corta y precisa se debe sujetar el bisturí

como un lapicero fig. 45.

Figura 45 Forma de sujetar el bisturí para una incisión precisa se toma en forma de lapicero.

En general se debe cortar en el plano sagital de distal a proximal y en el transversal desde el lado no

dominante al dominante (ANEXO B). Dentro de las normas de uso se encuentran las siguientes:

No se debe utilizar para cortar metal o hueso,

No hacer palanca durante un corte,

No se debe utilizar una hoja que haya perdido el filo

No se debe realizar un corte al azar sin valorar la situación exacta, antes de realizar una

incisión se debe planear y en caso necesario pintar una línea sobre la piel con tinta azul de

Booney.

En todos los cortes el movimiento no debe ser interrumpido [27].



42

3.4.1 Pasos para realizar una Incisión

Pasos a seguir durante una incisión [28]:

1. El bisturí debe colocarse perpendicularmente a la superficie a incidir (fig. 46, posición a).

2. Se debe profundizar en el tejido con la punta de la hojilla (fig. 46, trayectoria posición b).

3. Mover el bisturí a una posición horizontal con una inclinación a 45 grados (fig. 46, posición

a).

4. Realizar el corte (fig. 46, línea punteada).

5. Finaliza la incisión con la punta de la hojilla colocando de nuevo el bisturí en posición

vertical (fig. 46, posición d).

6. Retirar el bisturí de forma vertical.

Figura 46 Diagrama de pasos durante una incisión.



43

CAPÍTULO IV

Proceso de diseño

Los primeros instrumentos quirúrgicos fueron creados por médicos, derivados de las ideas y las

necesidades a las cuales se enfrentaban durante el ejercicio de su profesión, pero a veces han tenido

otros profesionistas, como es el caso de Hermann Helmholtz [21], quien era físico y fisiólogo, que en

el año 1851 ideó el oftalmoscopio, aparato por el cual se pudo examinar por primera vez la retina en

el fondo del ojo.

Desde que el ser humano fabrica herramientas, este empleo su ingenio en el desarrollo de técnicas

quirúrgicas cada vez más sofisticadas, sin embargo se requieren los instrumentos adecuados para

realizar estos procedimientos y la demanda de estos va en aumento con la aparición de nuevas

enfermedades; con lo cual se exige una innovación en las herramientas quirúrgicas.

En el capítulo anterior se toman dos bases importantes en el proceso de diseño:

1.- La configuración del bisturí necesaria para realizar la tarea de corte.

2.- La técnica quirúrgica de incisión que emplea el cirujano.

De las cuales partirá el proceso de diseño, el cual buscara imitar los movimientos realizados por el

cirujano en una incisión; enfocado en el análisis de la fuerza que empleara el gripper diseñado para

hacer tareas de corte.



44

4.1 La herramienta de trabajo

El instrumento de corte (hoja) tiene bordes filosos, se usa para: cortar, separar o extirpar tejido.

Dentro de las precauciones se debe considerar el manejo de la hoja auxiliado para su manipulación y

colocación por unas pinzas, durante la limpieza y la esterilización se debe proteger el mango de no

exponerlo a ambientes corrosivos ni a sustancias que puedan alterar su proceso de oxidación se debe

guardar en ambientes libres de humedad y altas temperaturas.

4.1.1 Bisturí y hojas de corte

El tipo de bisturí más frecuente tiene un mango reutilizable con una hoja desechable. Casi todos los

mangos son de cobre y las hojas de carbón acerado. Consideraciones en su uso:

La hoja se fija al mango resbalando la hendidura dentro de las muescas del mango

Al fijar o sacar la hoja del mango nunca utilizar los dedos, todo por medio de pinza

Las hojas difieren en tamaño y forma

Las hojas Nº 20, 21, 23 tienen la misma forma y distinto tamaño, se utilizan con el mango Nº

4 y 3.

Figura 47 Estructura Básica del Bisturí.

Las hojas difieren en cuanto a longitud, ancho y tipo de corte a realizar, por lo cual el gripper

tomará como base una hoja del no. 21.



45

4.2 Criterios Típicos de Diseño en un Efector Final

Existen criterios que deben tomarse en cuenta al diseñar un efector final para un manipulador

robótico, algunos de estos son [2].

Un bajo peso que permite tener un manejo de una mayor carga útil; el aumento de las

aceleraciones; tiempo de proceso mínimo.

Dimensiones mínimas según el tamaño de la pieza de trabajo.

El rango más ancho en ensamble de partes usando inserciones y movimientos ajustables.

Rigidez para mantener la exactitud del robot y reducir las vibraciones.

La fuerza máxima requerida; la seguridad y prevención de daños a los productos.

La fuente de alimentación debe estar disponible para el robot.

El mantenimiento debe ser fácil y rápido.

Formas de seguridad para que el material no se deje caer cuando falle la fuente de

alimentación.

4.2.1 Lista de objetivos de diseño:

Con base a los criterios anteriores y por la técnica quirúrgica de incisión descrita en el capítulo 3 se

llegan a los siguientes objetivos de diseño:

A. El gripper sea lo más ligero posible.

B. Permita realizar diferentes tipos de incisión (cortes) y sujeciones.

C. Sea fácil de reparar

D. Sea de costo económico.

E. El mantenimiento sea fácil en cada uno de sus componentes.

F. Sea un equipo seguro.

G. La fabricación y el ensamble sean fáciles.

H. Sea rígido para mantener la exactitud del robot y reducir las vibraciones.

I. Tenga estabilidad (centro de masa).

J. Sea resistente a la corrosión y oxidación.

K. Sea fácil de instalar.

L. Sus dispositivos, accesorios y repuestos sean económicos.

M. Sea realizable en un tiempo mínimo de fabricación, ensamble y prueba.



46

Objetivos A B C D E F G H I J K L M Totales de

fila

A 0.5 1 1 1 0 0.5 0 0 0 0 1 1 6

B 0.5 1 0.5 1 0.5 1 0.5 0.5 0 1 1 1 8.5

C 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0.5 0.5 0 2

D 0 0.5 1 1 0 0.5 0 0 0 1 0.5 0 4.5

E 0 0 0 0 0 0.5 0 0 0 0 1 0 1.5

F 1 0.5 1 1 1 1 0.5 1 0.5 1 1 1 10.5

G 0.5 0 1 0.5 0.5 0 0 0 0 0.5 1 0.5 4.5

H 1 0.5 1 1 1 0.5 1 0.5 0.5 1 1 1 10

I 1 0.5 1 1 1 0 1 0.5 0.5 1 1 0.5 9

J 1 1 1 1 1 0.5 1 0.5 0.5 1 1 1 10.5

K 1 0 0.5 0 1 0 0.5 0 0 0 1 0 4

L 0 0 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 0 0 1

M 0 0 1 1 1 0 0.5 0 0.5 0 1 1 6

Total de

Puntos = 78

Tabla 3 Ponderación de los objetivos de diseño.

En base a la tabla 3, se realizó una confrontación entre los diferentes objetivos de diseño (ANEXO

C) y los resultados fueron los siguientes:

Objetivo Descripción Ponderación

F Sea un equipo seguro. 10.5

J Sea resistente a la corrosión y oxidación. 10.5

H Sea rígido para mantener la exactitud del robot y reducir las vibraciones. 10

I Tenga estabilidad (centro de masa). 9

B Permita realizar diferentes tipos de incisión (cortes) y sujeciones. 8.5

A El gripper sea lo más ligero posible. 6

M Sea realizable en un tiempo mínimo de fabricación, ensamble y prueba. 6

D Sea de costo económico. 4.5

G La fabricación y el ensamble sean fáciles. 4.5

K Sea fácil de instalar. 4

C Sea fácil de reparar. 2

E El mantenimiento sea fácil en cada uno de sus componentes. 1.5

L Sus dispositivos, accesorios y repuestos sean económicos. 1

Total = 78

Tabla 4 Orden por clasificación de importancia de los objetivos.

En la anterior tabla se concluye que en la ponderación de los objetivos no hay relaciones transitivas

entre los mismos por lo cual se tienen enlistados en orden de importancia los objetivos a considerar

en el diseño del gripper.



47

4.3 Selección de Materiales

Los instrumentos se diseñan para proporcionar una herramienta que permita al cirujano realizar una

maniobra quirúrgica básica; por lo cual los materiales empleados en estos son diversos.

Sin embargo la fabricación de instrumentos quirúrgicos suele ser comúnmente de Acero inoxidable,

Titanio, Vitalio y Aluminio, pero la gran mayoría de instrumentos quirúrgicos están hechos del

primero cuando son fabricados en moldes y de Aluminio cuando su manufactura es por medio de

máquinas-herramienta, las aleaciones que se utilizan deben tener propiedades específicas para

hacerlos resistentes a la corrosión cuando se exponen a sangre y líquidos corporales, soluciones de

limpieza, esterilización y a la atmósfera.

Acero inoxidable: El acero inoxidable es una aleación de hierro, cromo y carbón; también puede

contener níquel, manganeso, silicón, molibdeno, azufre y otros elementos con el fin de prevenir la

corrosión o añadir fuerza de tensión. Del grupo de aleaciones de hierro surge una característica

importante la cual es una resistencia excepcional a la corrosión. Esto se debe a la adición de cromo,

que segrega a la superficie y forma una capa de cromo muy estable de óxido rico. Es esta capa de

óxido de cromo que le da de acero inoxidable su resistencia a la corrosión excelente y sin duda, el

nombre "inoxidable".

Titanio: Es excelente para la fabricación de instrumentos microquirúrgicos. Se caracteriza por ser

inerte y no magnético, además su aleación es más dura, fuerte, ligera en peso y más resistente a la

corrosión que el acero inoxidable. Un terminado anodizado azul de óxido de titanio reduce el

resplandor.

Vitalio: Es la marca registrada de cobalto, cromo y molibdeno. Sus propiedades de fuerza y

resistencia son satisfactorias para la fabricación de dispositivos ortopédicos e implantes

maxilofaciales.

Aluminio: El aluminio puro es un metal suave, blanco y de peso ligero. Al ser mezclado con otros

materiales como: silicón, cromo, tungsteno, manganeso, níquel, zinc, cobre, magnesio, titanio,

circonio, hierro, litio, estaño y boro, se producen una serie de aleaciones con propiedades específicas

que se pueden aplicar para propósitos diferentes. Sin embargo, en los últimos años se han

desarrollado técnicas para producir versiones más altas de pureza para aplicaciones específicas. Esto

es particularmente relevante en la industria de los semiconductores, donde se utiliza aluminio de alta

pureza en las películas de pulverización y delgada. Otras aplicaciones incluyen láminas electrolíticas

de condensadores, el uso decorativo y sistemas de almacenamiento.

http://www.monografias.com/trabajos13/tramat/tramat.shtml#COBRE

http://www.monografias.com/trabajos/metalprehis/metalprehis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos53/estanio-peruano/estanio-peruano.shtml



48

De lo anterior se observa que el Acero inoxidable y el Aluminio, son materiales que son utilizados en

la fabricación de diferentes instrumentos y dispositivos médicos debido a su gran resistencia a la

corrosión y son de fácil esterilización, además de que se encuentran fácilmente a la venta con

diferentes proveedores uno de ellos es Metales Díaz S.A. de C.V.; razones por las cuales el gripper

será diseñado con ambos materiales; pero dando preferencia al aluminio por la gran facilidad con la

cual se máquina, además de el alto grado de higiene y esterilización que presenta. Metales Díaz

cuenta con soleras de Aluminio de perfil rectangular y redondo.

4.4 Diseño Mecánico.

El diseño de la base se realizó para que el ensamblaje se pueda sujetar y adaptar a la muñeca del

Mitsubishi® RV-M1; fig. 48; por medio de cuatro barrenos de 3mm cada 90°, para sujetarse a las

roscas de la muñeca del Mitsubishi se realizaron 4 roscados de 3.125mm para 4 opresores que a su

vez estos van a tener la función de sujetar toda la camisa. Ver ANEXO D.

Figura 48 Base.

La pieza de la camisa se diseñó a manera de que empotrara en la base y se sujetara a ella por medio

de los 4 opresores, para posteriormente alojar el mecanismo del gripper, fig. 49

Figura 49 Camisa.



49

El eje se diseñó en base al desplazamiento de la hoja del bisturí, el cual contiene una chaveta para

darle un movimiento lineal, y entra en la camisa topando hasta el fondo; este eje va a sujetar el

mecanismo del bisturí, para realizar el corte, fig. 50.

Figura 50 Eje.

La tapa, es la pieza que realiza la función de “corcho” del mecanismo encapsulando el eje, sujetando

este para soportar la fuerza de corte, fig. 51.

Figura 51 Tapa.



50

La chaveta hace la función de guía en entre el eje y la tapa; se ajusta a ella por medio de dos tornillos

milimétricos de 4M, fig. 52

Figura 52 Chaveta.

Por último se dibujó una hoja de bisturí del número 21, como se muestra en la figura 53.

Figura 53 Hoja del bisturí.

4.5 Extensiometría.

La extensiometría es una técnica experimental para la medición de esfuerzos y deformaciones

basándose en el cambio de la conductividad eléctrica de un material al aplicarle una fuerza a través

del mismo.

Cuando queremos obtener información sobre fenómenos físicos utilizamos transductores

transformando el parámetro físico en un parámetro eléctrico. Dichas señales sufren un

acondicionamiento de la señal mediante la amplificación, el filtrado y el aislamiento eléctrico.

En 1843 Sir Charles Wheatstone (1802-1875) físico ingles ideo el circuito de puente de Wheatstone,

el cual consiste en cuatro resistencias en serie formando un circuito cerrado. Esta configuración de

este acondicionamiento es útil para la adquisición de señales de bajo nivel como por ejemplo las

galgas extensiométricas. fig. 54



51

Figura 54 Circuito puente de Wheatstone en arreglo de ¼ de puente.

Cuando el puente está en equilibrio el producto de dos resistencias opuestas es igual al producto de

las otras dos. Los dispositivos de medida como captadores de presión, células de carga, galgas

extensiométricas, etc., están construidos con el Puente de Wheatstone complete, medio Puente o un

cuarto de Puente en función de lo que queremos medir. Los equipos o tarjetas de adquisición de

datos son los encargados de completar lo que falta de Puente y amplificar la señal y medir el

desequilibrio que se puede producir.

4.6 Galga extensiométrica

Un extensómetro, galga extensiométrica o “strain gage” (en inglés) es un dispositivo de medida

universal que se utiliza para la medición electrónica de diversas magnitudes mecánicas como pueden

ser la presión, carga, torque, deformación, posición, etc. Se entiende por strain o esfuerzo a la

cantidad de deformación de un cuerpo debida a la fuerza aplicada sobre él. Si lo ponemos en

términos matemáticos, strain (ɛ) se define como la fracción de cambio en longitud, como de

demuestra la figura 56, a continuación:

Figura 55 Galga extensiométrica.

Figura 56 Definición de una galga extensiométrica.



52

Figura 57 Modelos de galgas extensiométricas y rosetas.

Así para medir galgas extensiométricas utilizamos los circuitos de Puente de Wheatstone

configurados a un cuarto de Puente. Las galgas extensiométricas se basan en la variación de

Resistencia de un conductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. Las deformaciones ɛ son

unitarias (adimensional), pero para mayor claridad se suelen dar en microdeformaciones (10e-6

m/m).

Tendremos en cuenta que el esfuerzo aplicado no debe llevar la galga del margen elástica de

deformaciones y este no excede del 1% de la longitud de la galga.

La galga transforma la tensión aplicada ɛ:

Y el cambio relativo de la resistencia de una galga es:

Siendo K el factor de galga que es una caracteristica propia de fabricacion. La medida de voltaje:

Siendo el estiramiento a ¼ de puente:

Donde K es el factor de galga.

Los usos Fundamentales de las galgas son el análisis experimental de la tensión y el diseño y la

fabricación de transductores. El circuito utilizado para la medida es siempre un puente completo que

estas totalmente o parcialmente por las galgas colocadas en el instrumento de medida.



53

4.7 Diseño de una celda de carga.

Una celda de carga es un transductor que es utilizado para convertir una fuerza en una señal eléctrica.

Esta conversión es indirecta y se realiza en dos etapas. Mediante un dispositivo mecánico, la fuerza

que se desea medir deforma una galga extensiométrica. La galga extensiométrica convierte el

(desplazamiento) o deformación en señales eléctricas. Una celda de carga por lo general se compone

de cuatro galgas extensiométricas conectadas en una configuración tipo puente de Wheatstone. Sin

embargo es posible adquirir celdas de carga con solo uno o dos galgas extensiométricas. La señal

eléctrica de salida es típicamente es del orden de mili volts y debe ser amplificada mediante

un amplificador de instrumentación antes de que pueda ser utilizada. La salida del transductor se

conecta en un algoritmo para calcular la fuerza aplicada al transductor.

Debido a lo anterior se procede a diseñar una celda de carga en la cual se montaran 4 strain gages

para obtener una configuración en puente de Wheatstone; teniendo 2 galgas en tensión y 2 en

compresión, fig. 58.

Figura 58 Geometría mecánica para la celda de carga y posicionamiento de las galgas extensiométricas.

Figura 59 Pieza de la celda dibujada en SolidWorks ®2011 para su posterior simulación.

http://es.wikipedia.org/wiki/Transductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

http://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%B1al_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Galga_extensiom%C3%A9trica

http://es.wikipedia.org/wiki/Deformaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone

http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_de_instrumentaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Algoritmo



54

La pieza del sensado de las galgas se diseñó para ser una “celda de carga”, para trabajar con galgas

extensiométricas, como se explica en el apartado anterior; el diseño de esta pieza se basó en simular

las microdeformaciones que presentaba en su geometría en forma de “S”, en las cuales se permitía

montar las galgas dentro de su área rectangular y generar un sensado; además de sujetar en su

extremo inferior la hoja de corte, figs. 60 y 61.

Figura 60 Simulación de las microdeformaciones.

Figura 61 Acercamiento del área a montar las galgas.



55

La simulación realizada se basó en someter a la pieza del sensado de las galgas a una fuerza de 0 a

5N; lo anterior a consecuencia de que no se tenía una fuerza de corte determinada para cortar con una

hoja de bisturí, fig. 62.

Figura 62 Microdeformaciones calculadas tomando en cuenta la gravedad y aplicando una fuerza de 5 N.

Se observa que con la geometría anteriormente mostrada y el material ASMT 6061 T6, aplicándole

una fuerza equivalente a 5 N las deformaciones máximas obtenidas son aproximadamente 56

microdeformaciones con las cuales se buscara indagar la fuerza que el gripper ejerza sobre la

superficie a cortar. La pieza final para montar las galgas se puede observar en la figura 63.

Figura 63 a) Pieza de galgas, b) Dimensiones de la pieza.



56

A continuación se presentan las piezas después de su manufactura:

Figura 64 Piezas terminadas (a) Base, (b) Camisa, (c) Tapa, (d) Eje, (e) Chaveta y (f) Pieza Principal.



57

4.8 Montaje de las strain gage:

A continuación se explicará detalladamente cada paso para el montaje de las galgas:

Las galgas que se adquirieron fueron modelo EA-120LZ-120E de la marca Vishay®, con una

resistencia de 120 Ohms; se muestran en la figura siguiente.

Figura 65 Galgas extensiométricas utilizadas.

Se tomó la decisión de comprar esas galgas porque el tamaño se ajusta perfectamente a la

geometría diseñada en la pieza principal.

Especificaciones de las galgas (el número que se utilizará será el factor de galga que en este caso es

2.100±0.5)

Primero se aplica un desengrasante en la pieza:

Figura 66 Desengrasante.

Se limpia el desengrasante con esponja de gasa:



58

Figura 67 Gasa.

Se emplea un acondicionador y de igual forma se limpia con una esponja de gasa:

Figura 68 Acondicionador.

Después de esta aplicación se procede a lijar la pieza donde se fijará la viga con una lija de agua

Se retira con unas pinzas una galga extensiométrica de su envoltura y se coloca sobre una superficie

de vidrio.

Figura 69 Galga extensiométrica sobre la cinta de celofán.



59

Con una cinta celofán especial se pega la galga para poder aplicarla sobre la pieza en cuestión, se

debe tener especial cuidado para que los ejes marcados en las galgas coincidan con los ejes de la

galga.

Figura 70 Cinta celofán.

Figura 71 Pegado de la galga en cinta celofán.

Con un bisturí se lijan las terminales y se coloca una solución llamada fluxar que funge como pasta

para soldar y se pone un punto de soldadura el los cables de las terminales de las galgas (cabe

mencionar que todos los líquidos y aditamentos que se utilizan para fijar la galga son de la marca

Vishay® ya que no se puede utilizar cualquier tipo de material).



60

Figura 72 Fluxar de la marca Vishay®

Figura 73 Montaje sobre la pieza principal.

Figura 74 Catalizador.



61

El catalizador tiene un aplicador de brocha que facilita la distribución del líquido en la superficie de

la galga, se debe dejar unos minutos a modo de que se observe que la superficie de la galga pasó de

brillante a opaca.

Se pone una gota de adhesivo y con el dedo se presiona mientras de pega de nuevo en la cinta

celofán y se coloca la galga ahora con el adhesivo para fijarla en la viga.

Figura 75 Adhesivo.

Se presiona con un dedo la galga por dos minutos a modo de que pegue mejor el adhesivo.

Con un solvente de Tolueno e Isopropanol se despega con cuidado la cinta celofán y se limpia la

superficie de la viga para no dejar pegamento.

Figura 76 Solvente de Tolueno.



62

Figura 77 Colocación de los cables y papel de protección.

Finalmente se coloca un papel metálico para cubrir la zona, y se pone un cale con cuatro colora para

identificar las conexiones:

Figura 78 Pieza Principal terminada.



63

4.9 Ensamble

El ensamble final se observa en la figura siguiente:

Figura 79 Ensamble Final.

Se procede a ensamblar la base, la camisa y el eje con la tapa:

Figura 80 Ensamble del eje con la tapa.

Figura 81 70 Ensamble de la base con la camisa.



64

Figura 82 Ensamble Base-Camisa-Tapa-Eje.

Figura 83 Ensamble del eje con la pieza principal.

Figura 84 Ensamble final.

En las figuras anteriores se muestra el ensamble de las diferentes partes del gripper, se puede

observar el montaje de la pieza de las galgas con el resto del gripper y con la hoja del bisturí.



65

4.10 Diseño Electrónico

El diseño electrónico se hizo básicamente para acoplar la señal de salida de las galgas, el software

utilizado fue LiveWire y PCB Wizard, el voltaje de entrada se tomó de una fuente de computadora

la cual entrega aproximadamente +10V,-10 V en dos de sus terminales, sin embargo el voltaje se

ajustó mediante reguladores de voltaje de +5V, -5V, +9V, -9V; para acondicionar el puente de

Wheatstone con las galgas montadas en la celda de carga, como se puede apreciar en las figuras

siguientes, con sus correspondientes Diagramas para placas fenólicas obtenidos a partir de

LiveWire con su interfaz de PCB Wizard.

Las señal de salida del circuito anterior se amplifico mediante un Amplificador de instrumentación

AD620 y se multiplicaron por 1000 con una resistencia de ganancia de 49.9 Ohms para llegar a

tener una señal de salida dirigida hacia la tarjeta de control Arduino Mega (Cabe hacer mención que

como se montaron 2 galgas, se obtendrán dos señales de salida y por lo tanto se fabricaron dos

canales de acoplamiento de señal); a partir de la señal de salida del AD620, se acoplaran varios

arreglos de amplificadores operacionales en el siguiente orden: sumador, seguidor de voltaje e

inversor con una ganancia unitaria, para obtener una señal de salida de 0 a 5V; (ANEXO E), fig 85.

Figura 85 Circuito eléctrico.



66

4.11 Interfaz y lectura de datos

La medición de los datos se realizara por medio de una tarjeta de control llamada arduino Mega, fig.

75; la cual de acuerdo a su gran versatilidad en la lectura y procesamiento de datos, nos permite

analizar de una forma adecuada las mediciones a realizar durante el corte;

Figura 86 Tarjeta Arduino Mega.

La lectura de datos, se realizó con el entorno de Arduino 1.0.1, fig. 87; el cual programa a la tarjeta

de control Arduino Mega para captura y su posterior procesamiento de la señal para una eventual

graficación de datos:

Figura 87 Ambiente de programación de Arduino 1.0.1



67

El análisis de la señal obtenida se realizara con el programa Netbeans 7.1.2, el cual es un entorno de

programación en java; en el cual se tiene la lectura de datos proporcionada por el arduino 1.0.1, para

después graficarlos en voltaje-tiempo, microdeformaciones-tiempo y fuerza-tiempo.

Se construyó un ambiente de trabajo para la graficación de la señal el cual contiene un botón de

inicio y otro de paro para la lectura de la señal, fig. 88, la estructura de la programación se puede

visualizar en el archivo programa grafica que se encuentra en el CD aunado con este documento.

Figura 88 Ventana del ambiente de programación al ejecutar el código de lectura y graficación en Netbeans 7.1.2



68

4.12 Trayectoria del robot Mitsubishi® RV-M1

La programación para los movimientos del robot se realizará con el programa, MitsuCommSrvr;

este programa funciona con la arquitectura cerrada que trae el Robot Mitsubishi® RV-M1, sus

instrucciones se presentan en el ANEXO F; en la fig. 89, se observa el ambiente del programa y un

código para mover el robot realizando los movimientos de la técnica quirúrgica de corte, vista en el

capítulo 3, fig. 46.

Figura 89 Ambiente del programa MitsuCommSrvr.

Programa de trayectorias del Robot Mitsubishi® RV-M1:

NT “Posición de origen mecánico”

SP 9 “Velocidad no. 9 de acuerdo a la escala proveniente de la arquitectura cerrada”

MJ -150,0,0,0,0 “Se desplaza hacia su desacople máximo”

MJ 0,0,0,0,-180 “Rota la muñeca 180° en dirección izquierda- derecha”


MJ 0,-90,0,0,0 “Coloca el gripper en una posición vertical con respecto a la superficie de corte”


DW 0,0,-20 “Realiza la penetración del tejido con una profundidad de 20mm”

DW 0,-160,0 “Realiza el corte lineal a lo largo del tejido con 160mm de longitud”

DW 0,0,70 “Retira el gripper 70mm del tejido”

NT “Envía el gripper hacia el origen mecánico”

SP 9 “Repetición del ciclo anterior”

MJ -150,0,0,0,0

MJ 0,0,0,0,-180

SP 8

MJ 0,-90,0,0,0

SP 4

DW 0,0,-20

DW 0,-160,0

DW 0,0,70

NT



69

El programa anterior describe una trayectoria desde el punto del origen mecánico, hacia la posición

vista en la fig. 46, para desplegar el movimiento de la muñeca hacia una posición perpendicular a la

superficie, tejido u objeto de corte, después se realiza un movimiento lineal en esa posición para

alcanzar una profundidad de aproximadamente 20mm para penetrar el tejido, el desplazamiento de

corte se realiza en una longitud de 160 mm, una vez realizado el corte se procede a retirar la hoja

del tejido, por lo cual el gripper se hace un movimiento en posición vertical de 70 mm y después se

desplaza hacia su posición original antes de ejecutar el corte. Cabe hacer mención que este

programa cuenta con 2 ciclos de trayectorias, los desplazamientos de profundidad y de longitud

pueden variar de acuerdo a las características del objeto o tejido a cortar.

4.13 Costos

La determinación del costo prototipo está dada por dos factores clave:

Materia prima

Mano de obra y renta de equipo y maquinaria

En la tabla 3 se muestra el material y la materia prima utilizada.

Tabla 3 Costo de la materia prima.

Subtotal= $ 2,825.00



70

En la tabla 4 se presenta el costo de la mano de obra y la renta del equipo y maquinaria.

Tabla 4 Costo Mano de Obra.

Subtotal= $ 5,500.00

El total del costo del prototipo es de $ 8, 325.00; cabe hacer mención que este costo se elevó debido

a que en un principio se propuso trabajar con el CNC de la escuela sin embargo; este se descompuso

y se tuvo que buscar otras alternativas en las cuales una de ellas era la de rentar la maquinaria y

realizar los maquinados pertinentes para lograr la manufactura del prototipo y esta es la razón por la

cual se elevó demasiado el costo.



71

CAPÍTULO V

Pruebas, experimentación y resultados

Las pruebas se realizaron con el Robot Mitsubishi RV-M1 ubicado en el CIM, el cual se encuentra

funcionando con el sistema general de fábrica, este sistema se mencionó en el capítulo 2, fig. 26;

por lo cual cuenta con una arquitectura cerrada, la cual permite programar al robot con un leguaje

muy sencillo (ANEXO F) y pocas instrucciones (fig. 88), pero con la desventaja de no poder

enlazarlo con la señal proveniente del gripper; pues al ser arquitectura cerrada el sistema de la

arquitectura no es flexible con la lectura de datos proporcionada por el gripper, para poder realizar

un control de retroalimentación con la fuerza de corte ejercida por el gripper, sin embargo permite

realizar los movimientos necesarios para calcular la fuerza que se necesita al realizar un corte sobre

un tejido y visualizarla.

Las pruebas siguientes se efectuaron con los siguientes materiales y equipos:

Robot Mitsubishi® RV-M1 (Sistema general y Arquitectura cerrada)

Espécimen de prueba: pechuga de pollo

Gripper Diseñado

Hoja de Bisturí del No.21

Tarjeta de desarrollo Arduino Mega

Fuente de alimentación de -12V, 12V y 5V

Software Arduino 1.0.1, Netbeans 7.1.2, MitsuCommSrvr

PC de escritorio para control del Robot.

Laptop para visualizar las mediciones obtenidas.

5.1 Experimentación y resultados

Los experimentos a realizar se pretenden hacer con objetivos de hacer uso del gripper diseñado para

realizar cortes sobre una superficie o tejido de prueba, emulando la técnica quirúrgica de corte

presentada en el capítulo 3; con la finalidad de encontrar la fuerza de corte necesaria para efectuar

incisiones sobre el tejido y registrar gráficamente su ejecución.

Para comenzar se montara el gripper en el Robot Mitsubishi® RV-M1 y la hoja del bisturí del no.

21, fig. 90



72

Figura 90 Gripper Montado en el Robot Mitsubishi® RV-M1.

Como siguiente paso se conectara el sistema: por un lado el Robot con la PC, con instrucciones para

la trayectoria del robot y el gripper con el Arduino Mega, la Laptop y la fuente de alimentación,

figs. 91 y 92 respectivamente.

Figura 91 PC conectada con el Robot Mitsubishi RV-M1.



73

Figura 92 Conexión del sistema del gripper y posición del objeto a cortar.

En la fig. 92 se aprecia la colocación de la pechuga de pollo a cortar; acto seguido se procede a

iniciar la rutina (con un solo ciclo) de trayectorias del robot para realizar el corte y al mismo tiempo

se le da click en el botón de on de la interfaz gráfica para encender la captura de datos para la

graficación de estos en base al tiempo, una vez que el robot realice la trayectoria y finalice el corte

se le da click al botón de off; finalizando con esto la prueba de corte realizada.

Se procederán a realizar 4 pruebas sobre una sola pechuga de pollo, ya que debido a las

características del tejido de esta y su tamaño, se consideran 2 pruebas en cada lado de la pechuga

para proporcionar un alto grado de fiabilidad en la medición de la fuerza en el momento de realizar

la incisión.

5.2 PRUEBA No.1

En la gráfica no.1 se muestra el comportamiento del voltaje, las microdeformaciones y la fuerza de

corte aplicada al realizar una incisión quirúrgica en la pechuga de pollo mediante el movimiento de

la trayectoria del robot Mitsubishi® RV-M1; se puede apreciar que la señal en proporcional desde

el voltaje, en las microdeformaciones y en la fuerza aplicada.

Tipo de señal: continua.

Tipo de ruido: continuo

Muestra: 600 muestras, 10 cada segundo a lo largo de un minuto.

En la fig.93 se puede apreciar la pechuga con la incisión provocada por el corte. Nota: El corte

superior que se aprecia en la pechuga de pollo no fue realizado por el gripper, al momento de

comprar la pechuga de pollo esta ya presentaba este corte.



74

Gráfica 1 Valores obtenidos de las mediciones en la primera prueba.

Figura 93 Vista superior de la pechuga de pollo al realizar la primera incisión.



75

De la gráfica 1 se puede observar el momento en el que se realiza la penetración en el tejido y

posteriormente se observa como durante el corte la señal se estabiliza debido a que el tejido de la

pechuga es regular en la mayor parte de su estructura. Aproximadamente los valores obtenidos son

los siguientes:

Al momento de penetrar la piel:

Voltaje: .5V

Microdeformaciones: 17

Fuerza: 0.5N

Al momento de realizar el corte:

Voltaje: decreciente de .5V a .25 V

Microdeformaciones: decreciente de 17 a 12

Fuerza: .5 a .2N

5.3 PRUEBA No.2








En la fig.94 se puede apreciar la pechuga con la incisión provocada por el corte de esta prueba.



76

Gráfica 2 Valores obtenidos de las mediciones en la segunda prueba.

Figura 94 Vista superior de la pechuga de pollo al realizar la segunda incisión.



77




los siguientes:


Voltaje: 1V


Fuerza: 1.4N



Microdeformaciones: decreciente de 40 a 10

Fuerza: 1.4 a .75N

5.4 PRUEBA No.3











78

Gráfica 3 Valores obtenidos de las mediciones en la tercera prueba.

Figura 95 Vista superior de la pechuga de pollo al realizar la tercera incisión.



79




los siguientes:


Voltaje: .6V


Fuerza: 0.5N



Microdeformaciones: decreciente de 20 a 4.9

Fuerza: .5 a .34N

5.5 PRUEBA No.4











80

Gráfica 4 Valores obtenidos de las mediciones en la cuarta prueba.

Figura 96 Vista superior de la pechuga de pollo al realizar la cuarta incisión.



81




los siguientes:


Voltaje: .8V


Fuerza: 1N



Microdeformaciones: decreciente de 22 a 6.85

Fuerza: 1 a .48N

De las gráficas anteriores se puede apreciar que las lecturas son similarmente constantes alcanzando

una fuerza máxima de corte en promedio de 1N en cuanto rompe el tejido y devaluándose a partir

de este valor hasta llegar aproximadamente a sus condiciones iniciales.



82

CAPÍTULO VI

Conclusiones

Del capítulo 1 se concluye que los desarrollos informáticos en los aspectos vinculados con la

realidad virtual, los ambientes inmersivos y la telepresencia permiten a los cirujanos operar en un

ambiente perfectamente similar al del interior del paciente y llevar a cabo cirugías a distancia, con

el apoyo de robots esclavos que reproducen con exactitud los movimientos quirúrgicos,

corrigiéndolos, mejorándolos y manejándolos a otras escalas con extraordinaria precisión y

seguridad.

Los efectores finales de estos Sistemas Robóticos, son en síntesis para corte, sujeción y visión, pero

están adaptados para ciertas cirugías, es decir no son universales y no se pueden aplicar en toda la

gama de operaciones quirúrgicas existentes, razón por la cual se necesita desarrollar aplicaciones en

las cuales se logre desarrollar dispositivos que puedan interactuar con el cirujano, como por ejemplo

por medio de una interfaz háptica y que contribuyan a la innovación en beneficio de la salud de la

humanidad.

En referencia a los materiales empleados, es importante observar que la mayoría de estos

dispositivos utilizan para su fabricación acero inoxidable o aluminio en combinación con polímeros

sintéticos de fácil asepsia y esterilización debido al ambiente en el cual desempeñan su trabajo,

razón por la cual el material seleccionado fue el Aluminio como material principal para diseñar y

fabricar el gripper.

Dentro de las etapas de sensado se utilizan sensores de par mecánico, posición y fuerza, empleados

en diferentes configuraciones electrónicas y situados en posiciones específicas que permiten la

manipulación del gripper de una forma adecuada, aunado a esto el sistema de visión que se maneja

en este tipo de dispositivos en muchos casos es crucial para efectos de normatividad y

comercialización. El control de la mayoría de efectores finales en desarrollo se lleva a cabo por

medio de microcontroladores y tarjetas de control prefabricadas; que son utilizadas en diversos

sectores.

Una conclusión importante a considerar en el diseño del gripper, es tomar en cuenta el

funcionamiento de una mano convencional, pues es indudable que las mejores máquinas sobre la

tierra son la que fabrica la naturaleza, un claro ejemplo es el ser humano.

Al realizar el análisis de la técnica quirúrgica, los distintos tipos de bisturí y verificar algunas

configuraciones de sus hojas se puede hacer la observación para determinar que bisturí es el que se



83

mejor podría trabajar el gripper es con una hoja del no. 21, lo anterior es debido a que esta

configuración es la que mejor se adapta a la clase de operaciones que se realizarán y va de acuerdo

al tipo de corte que se desea realice el este. Este tipo de técnica quirúrgica de incisión se puede

reproducir en 6 posiciones, 3 desplazamientos: 2 verticales y 1 horizontal y 2 movimientos

rotacionales, mismos que fueron adoptados por la programación del robot para ejercer los

movimientos, desplazamientos y posiciones para efectuar las pruebas que se realizaron.

A lo largo del desarrollo en la parte práctica de este Trabajo Terminal, se tuvo la necesidad de

realizar un rediseño completo del gripper debido a distintos factores que hacían del primer diseño

presentado en Trabajo Terminal 1 muy poco viable para su construcción y economía.

Se logró un prototipo capaz de adoptar distintas hojas de bisturí y el cual realiza distintas

trayectorias de corte; con la medición de la fuerza que este aplica sobre algún tipo de tejido, el

material que se utilizo fue en su totalidad Aluminio; sin embargo cabe aclarar que este prototipo es

para fines experimentales y no para realizar cortes en pacientes humanos; el transductor utilizado

para medir la fuerza de corte fue una celda de carga la cual consiste en 4 sensores llamados galgas

extensiométricas los cuales son capaces de medir la deformación que presenta un material cuando

este se somete a fuerzas externas; estos 4 sensores se montaron en un arreglo de puente de

Wheatstone completo para potenciar la medición.

El pegado de las galgas se realizó mediante una técnica artesanal llamada cementación en la cual se

tienen varios procesos para logar el pegado de la galga, se hace hincapié en que en todo momento la

superficie a pegar pasa por distintas sustancias y en todo momento debe estar libre de grasa u otras

impurezas; al momento de realizar el pegado es necesario comprobar si la galga quedo bien pegada

y no se afectaron sus propiedades.

Los circuitos eléctricos utilizados en el diseño del gripper; se diseñaron completamente para

acondicionar la señal de salida del puente de Wheatstone montado en el transductor, amplificando

la señal con amplificador de instrumentación con un factor de ganancia de 1000, para que a partir de

esto se sometiera diversas configuraciones de amplificación por medio de amplificadores como el

TL082 y el TL081, en configuración de sumador, seguidor e inversor, con el fin de calibrar la

medición a cero y a partir de esto realizar las mediciones de las pruebas; dentro del principal

problema que se enfrentó en este diseño fue lidiar con las impedancias de entrada de los

amplificadores operacionales, pues en diferentes oportunidades se tuvo que rediseñar el circuito y

añadirle distintos tipos de configuraciones para contrarrestar estas impedancias; un ejemplo de esto

es el seguidor de voltaje entre el sumador e inversor.



84

Al enlazar la interfaz se tuvo el problema de ver con que arquitectura del robot se iba a trabajar;

pues en dos laboratorios se cuenta con el Robot Mitsubishi® RV-M1, sin embargo uno utiliza una

arquitectura abierta y en el otro se utiliza un arquitectura cerrada (Laboratorio de Robótica

Avanzada “LRA” y el Centro Integral de Manufactura “CIM”, respectivamente), se optó por utilizar

el que está ubicado en el CIM con arquitectura cerrada debido a que es más sencilla en su

funcionamiento, pero con el inconveniente que no se puede asociar tan fácilmente con algún otro

dispositivo para leer una señal de entrada y lograr un control del robot por medio de alguna

retroalimentación; el Robot de LRA contaba con arquitectura abierta la cual era más flexible para

utilizar en el prototipo sin embargo no contaba con el movimiento de los motores de posición; razón

por la cual no se puede reproducir la técnica quirúrgica en este robot.

Se eligió una tarjeta de desarrollo llamada arduino mega por su gran versatilidad, con al cual se

logró una excelente captación de datos para después registrarlos gráficamente en un ambiente de

programación basado en java.

Las pruebas finales fueron realizadas con éxito, aunque en el caso de la primera prueba afecto el

resultado debido a que ya presentaba un corte desde el momento de comprarla y las mediciones de

esa incisión no fueron tan fidedignas como se esperaban. Las restantes pruebas se caracterizaron por

presentar un patrón de medición de la fuerza uniforme al momento de realizar el corte logrando

capturar gráficamente esta medición; cumpliendo con los objetivos marcados al inicio de este

Trabajo Terminal.



85

6.1 Trabajos a futuro

El dispositivo que se obtuvo en este Trabajo Terminal es un dispositivo en una etapa intermedia de

desarrollo debido a que se puede complementar para otra serie de cortes con diversas hojas de

bisturí sin embargo para esto se requiere de realizar un control para lograr un dispositivo optimo

que trate de incursionar en el campo de la robótica aplicada a la medicina.

Se puede experimentar realizar cortes en diferentes tejidos (piel de cerdo, cuero, cadáveres en la

morgue; etc.); para lograr mediciones de fuerza y obtener así una medición ideal promedio para

identificar un parámetro ideal de fuerza para generar un control adecuado para esta.

Este tipo de control se propone que sea un control bilateral de fuerza contra vs posición y que se

realice acoplando un sensor flexiforce en la base del eje con la pieza de adaptación para lograr una

retroalimentación en fuerza, esto combinando con una arquitectura abierta y flexible para manipular

el robot en la posición donde se encuentre para realizar un corte inteligente es decir sea capaz de

reconocer el tipo de tejido que esta cortando y la fuerza que debe de ejercer sobre esta a fin de

realizar un corte limpio e inteligente en beneficio de los seres humanos.

Con el hecho de que este prototipo se realizó desconociendo la fuerza de corte que se debe aplicar

en este tipo de dispositivos, otro de los trabajos a desarrollar a partir de este es el de realizar

diversos dispositivos mecatrónicos aplicados en esta área de la robótica medicinal; pero con el

hecho de partir de una medición de la fuerza que se requiere al diseñar estos dispositivos, para

mejorar la manufactura de los mismos.

Derivado de lo anterior se deja abierta la puerta para desarrollar microdispositivos mecatrónicos

aplicados en la robótica quirúrgica de corte; con la finalidad de generar tecnología de punta para

llevar a México como uno delos países líderes en este tipo de tecnologías.

Dentro de la interfaz desarrollada en java; se menciona que para mejorar los resultados se debe

aplicar un sistema de filtrado de la señal para lograr una mejor visualización de la gráfica obtenida y

así mismo generar una tabla de valores en la cual se arroje el valor de la fuerza en un instante

preciso cuando se está desarrollando el corte.



86

ANEXOS



87

ANEXO A

Calculo del modelo dinámico del robot Mitsubishi® RV-M1

Parametrización del sistema

Este manipulador en su configuración cuenta con 5 grados de libertad, todos son del tipo rotacional

(RRRRR); de los cuales 3 son de posición y 2 de orientación; como primer paso se deben localizar

los ejes de movimientos del sistema y los parámetros de los eslabones tomados de [19-20].

Figura 97 En la imagen se puede observar la disposición de los eslabones que conforman la arquitectura del robot

RV-M1.El sistema cuenta con 5 GDL de tipo R.

Figura 98 Ejes de movimiento de los eslabones, los cuales son importantes de definir, ya que, con ellos, se

establecerán los ejes z_i del sistema.

Una vez definidos los ejes de movimiento definiremos la pose (posición y orientación) de los

marcos coordenados Oi con i = 0, 1, 2, 3 [20]. Para este fin, colocaremos los marcos coordenados

tomando en cuenta las siguientes reglas:

El origen Oi debe ser colocado en el eje de movimiento del eslabón i.

El eje x i debe ser paralelo e intersectar al eje Zi-1.



88

Tomando en cuenta las anteriores restricciones, los marcos coordenados tienen la siguiente

disposición, fig. 4.

Figura 99 Disposición de los marcos coordenados que definen los eslabones del sistema robótico, así como el

movimiento que realizan.

Una vez definidos los marcos coordenados del robot manipulador, calcularemos la tabla de

parámetros de Denavit-Hartenberg (D-H) [20].



89

Tabla de parámetros de Denavit-Hartenberg (D-H)

Para definir los parámetros de la tabla de D-H, debemos tomar en cuenta las siguientes definiciones:

Tabla 5 Definiciones de las variables para obtener la tabla de parámetros de D-H.

Dadas las anteriores definiciones, la tabla de parámetros de Denavit-Hartenberg para los marcos

coordenados de los ejes de rotación y del efector final se presenta en la Tabla 6.

Tabla 6 Parámetros de las articulaciones del robot y del efector final.

Tabla 7 Parámetros de los centros de masa del robot.



90

Transformaciones homogéneas

El siguiente paso es calcular las transformaciones homogéneas entre marcos, para este fin, usaremos

la matriz de transformación homogénea de D-H, la cual se puede obtener de la siguiente forma:

(1)

Desarrollando la expression:

(2)

Obteniendo así las ecuaciones para la pose de un marco coordenado i, respecto a un marco

coordenado i-1.

Transformaciones para marcos de articulaciones y de efector final

Usando los parámetros definidos de la tabla 4 y sustituyéndolos en la matriz 2, obtenemos las

transformaciones homogéneas a cada marco coordenado To1, T12, T23. T34 y T45.



91

Las matrices de transformación de cada articulación respecto a la base del sistema (en este caso O0),

es decir T0i para i=1, 2, 3, 4, 5 son:

Sustituyendo de la tabla 5 los parámetros físicos del sistema, las matrices se obtienen las matrices

de transformación respecto al origen.

Tabla 8 Parámetros físicos del sistema (medidas de cada uno de los eslabones).



92



93

Transformaciones homogéneas para los centros de masa

Aplicando el mismo criterio, podemos calcular las matrices de transformación homogénea de cada

centro de masa en referencia con respecto a la base del sistema O0. Estas transformaciones son

útiles para el cálculo de la dinámica del robot manipulador. Ahora, sustituyendo los parámetros de

la tabla 5, en la ecuación (1) podremos calcular las matrices de transformación homogénea [20]

Donde T0i1, i = 1, 2, 3, representa la matriz de transformación homogénea de la base O0 al centro de

masa i.



94

Cálculo de Jacobianos para los centros de masa

Para modelar la dinámica del robot RV-M1 de 5 GDL, necesitamos calcular los Jacobianos de cada

centro de masa, los cuales son una parte fundamental en el modelo dinámico del robot, ya que

describen la razón de cambio articular de los centros de masa, proporcionando importante

información sobre las posibles singularidades (perdida de GDL en los movimientos del robot o

cuando las velocidades articulares son muy grandes) que pueda presentar el robot. La definición del

Jacobiano se puede expresar mediante la siguiente ecuación [20]:

donde, representa el Jacobiano de velocidades lineales y es el Jacobiano

de velocidades angulares. En otras palabras, el Jacobiano es una transformación que

relaciona el espacio de velocidades articulares con el espacio de velocidades operacionales

(o cartesianas) para poder calcular el Jacobiano de cada centro de masa del robot

manipulador debemos definir las siguientes variables:

Ejes de movimiento de cada centro de masa:

Posición de cada centro de masa respecto a la base O0:



95

Centro de giro de los eslabones 1, 2, 3, 4 y 5:



96

Entonces, el Jacobiano para cada centro de masa se puede escribir como sigue [19]:

Donde, Ji, representa el Jacobiano del centro de masa i, Ji1 representa el Jacobiano de velocidades

lineales del centro de masa i, y Ji2 es el Jacobiano de velocidades angulares del centro de masa i .

Para i= 1, 2, 3, 4 y 5.

Debido a que las articulaciones del robot Mitsubishi® RV-M1 son de tipo revoluta tenemos las

siguientes expresiones para cada uno de los centros de masa. Jacobiano para el centro de masa 1.



97

Jacobiano para el centro de masa 2.




98





99

Matriz de inercia H(q)

Los Jacobianos de velocidad lineal y angular de los centros de masa serán útiles para el cálculo de

la matriz de inercia H(q). Ahora, la matriz de inercia H(q) se puede calcular tomando en cuenta los

dos tipos de desplazamiento que puede presentar un objeto en el centro de masa de cada eslabón:

Inercias generadas por desplazamientos lineales:

Inercias generadas por desplazamientos angulares:

La matriz de Inercias H(q) se puede obtener entonces como:



100

Entonces, calculando las matrices definidas por las ecuaciones anteriores, obtenemos la matriz de

inercia para cada eslabón como:

Matriz de inercia centro de masa 1:





101



Finalmente la matriz H (q) es:



102

Matriz de aceleraciones centrípetas y de Coriolis

Para calcular la matriz debemos calcular las derivadas parciales de la matriz de

inercia H (q) respecto a las variables de posición articular .

Con las anteriores definiciones podemos calcular la matriz usando la siguiente

igualdad [20]:

Por lo que la matriz C queda de la siguiente forma:



103

Vector de pares gravitacionales

Los pares gravitacionales se obtienen a través de la energía potencial del sistema, la cual se puede

generar por dos elementos:

La energía potencial debido a la masa.

La energía potencial debido a resortes.

Para calcular la energía potencial de las masas, requerimos de las posiciones de los centros de masa,

de cada eslabón con respecto a la base, las cuales fueron calculadas anteriormente [19]-[20]. Por lo

tanto la energía potencial de las masas será:

y

Donde la matriz G representa el eje coordenado sobre el cual tiene efecto la gravedad del sistema.

Finalmente el vector de pares gravitacionales queda definido como:



104

ANEXO B

Referencias Anatómicas

Planos y Posición Anatómica [29]

Debido a que el individuo es capaz de adoptar diversas posiciones con el cuerpo, se definió una

posición única que permitiera la descripción y localización de cada una de las partes, órganos y

cavidades del cuerpo humano, dicha posición se denomina: posición anatómica estándar, a partir de

la cual localizan todas las estructuras, es la posición en la cual el paciente se encuentra de pie, con

los brazos a los lados, mostrando las palmas de las manos al observador. De esta manera, se evitan

confusiones al referirse al frente, dorso o lado del cuerpo. De esta manera, una parte próxima al

centro del cuerpo se dice que es medial, y cuando está alejada, se dice que es lateral. Por ejemplo,

las parte del brazo o de la mano que están del lado del pulgar son laterales, mientras que las que

están del lado del dedo meñique son mediales.

Figura 100 Posiciones anatómicas estándar del cuerpo humano.

Estas posiciones requieren varias condiciones:

1. Bipedestación (estar de pie).

2. Cabeza erguida sin inclinación.

3. Brazos extendidos a los lados del cuerpo

4. Palmas de las manos mirando hacia delante

5. Piernas extendidas y juntas

6. Pies paralelos y talones juntos



105

Plano sagital (medial)

Se realiza un corte medial, es decir se traza un plano en la línea media que divide al cuerpo humano

en dos partes iguales, ese corte puede ser realizado en la posición anatómica. Dividiendo al cuerpo

en una mitad derecha y otra izquierda. De acuerdo a este corte se dice que todo lo cercano a la línea

media se llama medial y todo lo que está lejos de ella se llama lateral. Es el plano en que se dividen

los movimientos visibles de perfil.

Si el movimiento desplaza un parte del cuerpo hacia delante se denominará Flexión (excepciones

ante pulsión de hombro y flexión dorsal del pie), si por el contrario lo desplaza hacia atrás, será

extensión (excepciones flexión rodilla, flexión plantar, retropulsión hombros).

Plano frontal (coronal)

Se realiza un corte coronal, que se realiza a través de la línea longitudinal media que pasa por las

orejas y divide al cuerpo en dos partes no iguales, anterior y posterior. Se llama coronal debido a

que pasa por la sutura coronal (Art. del hueso frontal con los dos parietales). Es el plano en que se

dividen los movimientos visibles de frente. si el movimiento desplaza hacia la línea media se

denomina Aducción, y si lo separa de la línea media Abducción. En el caso del cuello y tronco

recibe el nombre de inclinación lateral.

Plano transversal

Es el corte que se realiza horizontal y perpendicular al corte medial o sagital y divide al cuerpo

humano en dos mitades superior e inferior, que no son iguales. Es el plano en que se dividen los

movimientos visibles desde arriba o abajo. Hacia fuera Rotación externa y hacia dentro Rotación

interna; en el caso del antebrazo, pronación hacia dentro, palma para abajo y supinación hacia fuera,

palma arriba.

Figura 101 Planos Anatómicos.



106

Direcciones en el espacio

Algunos de los términos direccionales más utilizados en anatomía son:

1.- Proximal y distal (o apical) son términos que se usan en los miembros para designar la mayor o

menor proximidad al tronco.

Figura 102 Movimientos distal y proximal.

Figura 103 Movimientos no dominante y dominante.

2.- No dominante a dominante son términos que se usan para designar la posición del cirujano en

relación con el paciente cuando este se encuentra en posición anatómica.

Es evidente que todas estas denominaciones se utilizan en la mayoría de las ocasiones en sentido

relativo. Así, por ejemplo, el codo será distal con relación al hombro, pero proximal con respecto a

la muñeca.



107

ANEXO C

Descripción de la ponderación

Descripción fila A:

El gripper sea lo más ligero posible.

Debido a la tarea en la cual se enfocara el gripper , este debe ser liviano para lograr tener una buena

manipulación del instrumento quirúrgico y con ello dar facilidad a los movimientos a desarrollar;

debido a lo anterior se tiene una ponderación favorable de este objetivo con referencia a los C, D, E

y L; los cuales son de características económicas y de mantenimiento, el caso especial del objetivo

M, favorezco al A por considerar que siendo ligero se necesitara menos potencia en los motores de

CD, y en la situación fabricación existen técnicas con las cuales puedo lograr un desempeño

aceptable en el tiempo de fabricación por diferentes opciones.

Con respecto a los objetivos B y G se dio una ponderación de 0.5; porque considero que los tres

objetivos tienen la misma importancia al tratarse de la aplicación del gripper. Con respecto a los

demás objetivos la ponderación es favorable a ellos pues antes de pensar en reducir el peso se tienen

que verificar condiciones como: la estabilidad, la rigidez y la seguridad entre otras.

Descripción fila B:

Permita realizar diferentes tipos de incisión (cortes) y sujeciones.

Este objetivo de diseño está ligado directamente con el presente trabajo; se puede decir que es la

esencia o la idea principal del mismo, con lo cual la tendencia en la ponderación es favorable con

respecto a los objetivos C, E, G, K, L y M; debido a que estos objetivos son secundarios

(reparación, mantenimiento, fabricación, instalación y factores económicos) y en ciertos casos

manipulables para poder enfocarlos al objetivo B; el único caso en el cual es calificado con una

ponderación negativa en con el objetivo J el cual se enfoca a dos características importantes

(corrosión y oxidación) a tener en consideración por el ambiente en el cual estará trabajando el

gripper y con las cuales se tiene que tratar siempre en aplicaciones de este tipo.

Respecto con los objetivos D, F, H e I, doy una ponderación equitativa entre estos y el B pues se

tienen que tomar en igual importancia factores como seguridad, estabilidad, rigidez y en menor

medida la economía que es un factor a tratar de minimizar con este tipo de aplicaciones

experimentales.

Descripción fila C:

Sea fácil de reparar.



108

La única ponderación positiva para este objetivo en la comparación con el objetivo E, el cual se

enfoca al mantenimiento; pero debido a los sensores y actuadores de precisión con los cuales estará

fabricado, este tiene que tener una reparación aceptable y rápida por la aplicaciones a la cuales

estará dirigido y si en algún momento no funciona se tiene que rehabilitar lo más pronto posible.

Se dio una ponderación equitativa en los casos K y L, porque al tener una fácil instalación al robot

Mitsubishi RV-M1 y si los componentes son económicos; la reparación se ve favorecida en gran

medida, realizándose de manera rápida; con los demás objetivos es una ponderación negativa por

las cuestiones de seguridad, economía, estabilidad; etc., que tiene prioridad con respecto a este

objetivo.

Descripción fila D:

Sea de costo económico.

En su mayoría son ponderaciones negativas con respecto a los demás, por cuestiones de la

aplicación a la cual estará sometido y que estas son primordiales (seguridad, economía, estabilidad;

etc.) en el diseño; con respecto a los objetivos E y K, mantenimiento e instalación respectivamente;

le asignó una ponderación positiva porque se pretende bajar costos en la medida de lo posible y

estos dos factores son secundarios a este propósito y se puede logra solventarlos, sin embargo el

costo de actuadores, sensores y material no es fácil de disminuir.

Se otorgó una ponderación equitativa con respecto a los objetivos G y L debido a cuestiones

técnicas en el caso del objetivo G a causa del ensamble de piezas y el método de fabricación del

gripper y en el caso del objetivo L por estar en sintonía económica.

Descripción fila E:

El mantenimiento sea fácil en cada uno de sus componentes.

Este objetivo es secundario a los objetivos F, H, I, J, K y M por cuestiones de seguridad y

estabilidad principalmente, sin embargo es una ponderación positiva en el caso del objetivo L

debido a que se da prioridad de contar con un mantenimiento adecuado para este dispositivo y

solventar el desempeño que tiene en sus aplicaciones, con lo cual se deja en segunda situación que

las refacciones existentes en el mercado para este gripper deben ser económicas, ponderación

equitativa se le asigna con respecto al objetivo G pues estos dos objetivos van de la mano al ser de

fabricación fácil y sencilla el procedimiento de mantenimiento se agiliza de manera importante

dándole a este facilidad y flexibilidad de mantenimiento.

Descripción fila F:

Sea un equipo seguro.



109

Es uno de los principales objetivos de diseño, debido a la aplicación a la cual estará enfocado el

gripper : la seguridad es importante y más en este caso donde se requiere contar con un control total

de la situación por esta causa se le asigna una ponderación positiva con todos los objetivos a

excepción de los objetivos H y J pues estos dos y el objetivo en análisis van de la mano con la

seguridad, normas de los materiales empleados en este tipo de proyectos, así como tener el control

del gripper .

Descripción fila G:

La fabricación y el ensamble sean fáciles.

Es secundario con respecto a los objetivos H, I y J pues estos son de mayor relevancia para el

diseño por cuestiones de estabilidad, rigidez y resistencia. Equitativo con respecto a la instalación y

tiempo de fabricación, porque se toman en cuenta con el mismo valor para realizar el diseño; es

decir, si se tiene uno mejora el otro o viceversa ya que están enfocados a la fabricación del gripper ,

objetivos K y M.

Se asigna una ponderación positiva con el objetivo L porque el objetivo L está ligado con el

desarrollo del diseño y se buscaran dispositivos o accesorios acordes para el diseño económicos

pero siempre tomando en cuenta que sean fáciles de utilizar y de ensamblar.

Descripción fila H:

Sea rígido para mantener la exactitud del robot y reducir las vibraciones.

Otro objetivo fundamental del diseño y prioritario en la mayoría de los casos pues este exige tener

en cuenta el control del gripper y por ende realizar las diversas tareas en las cuales estará

empleándose el gripper, dejando atrás objetivos como K, L y M.

Es equitativo con los objetivos J e I, porque se tiene que tomar en consideración la estabilidad del

gripper y la resistencia al medio ambiente con lo cual se tendrá un diseño funcional del gripper .

Descripción fila I:

Tenga estabilidad (centro de masa).

Objetivo primordial respecto a los objetivos K y L, los cuales se basan en cuestiones de instalación

y economía, que son secundarias cuando del control se habla por considerar elementos o

dispositivos que serán indispensables para la estabilidad; tales como: sensores; actuadores y

diversos elementos mecánicos tomamos en cuenta para el diseño de la estabilidad del gripper .



110

Ponderación equitativa con respecto a objetivos J y M, por cuestiones de manejo de la estabilidad y

los materiales con los cuales están entrelazados entre si y el tiempo de fabricación debido a que se

pueden realizar pruebas finales en un tiempo más rápido comprobando la estabilidad del mismo.

Descripción fila J:

Sea resistente a la corrosión y oxidación.

La ponderación es positiva con respecto a los últimos tres objetivos, debido a que para llevarlos a

cabo es necesario evaluar los materiales con los cuales se fabricará este gripper, para pasar al

diseño de la instalación, verificar la economía de los dispositivos y ver tiempos de fabricación.

Descripción fila K:

Sea fácil de instalar.

Ponderación positiva respecto al objetivo L porque se toma en cuenta la adaptación al robot

Mitsubishi RV-M1 en primer lugar y después verificar si los dispositivos son económicos.

Ponderación negativa con respecto al objetivo M; debido a que este objetivo es primordial para las

pruebas de funcionalidad y con las cuales se puede comprobar cómo se realizó la instalación del

gripper en el robot.

Descripción fila L:

Sus dispositivos, accesorios y repuestos sean económicos.

Se consideró una ponderación negativa con respecto al objetivo M por consecuencia de ver los

resultados en la fabricación y las pruebas de funcionalidad; pues con estas se estará en condiciones

de definir si los dispositivos empleados se pueden encontrar en menor costo.

Descripción fila M:

Sea realizable en un tiempo mínimo de fabricación, ensamble y prueba.

Por las características de la Tabla 7 y al ser el último objetivo enlistado, esta descripción está

inmersa en las anteriores, pero tomando en cuenta que tiene ponderaciones contrarias a las

anteriormente citadas.



111

ANEXO D

Perspectiva del diseño final con respecto al diseño presentado en Trabajo Terminal I

El primer diseño presentado en el Examen correspondiente a Trabajo Terminal I, tuvo serias

modificaciones, conforme se enfrentó al desarrollo en su parte práctica correspondiente al Trabajo

Terminal II; debido principalmente a la que la información que existente referente a trabajos de este

tipo no es basta, por lo cual no se ha determinado con exactitud cuál es la fuerza a emplear cuando

se trabaja en aplicaciones robóticas con experimentos de corte utilizando hojas de bisturí al hacer

diferentes tipos de incisiones.

El diseño del gripper presentado en Trabajo Terminal I se basó en un modelo mecánico geométrico

con base a la técnica quirúrgica empleada por un cirujano durante una intervención quirúrgica; sin

embargo al enfrentarse a la fabricación se presentaron aspectos que no se tenían contemplados en

un principio como el peso del gripper, la sujeción de la hoja o del bisturí completo, los tipos de

sensores y actuadores, etc.; aunado a esto la búsqueda de la funcionalidad del gripper produjo un

nuevo planteamiento en el diseño, pasando desde aspectos mecánicos, electrónicos, informáticos y

de fabricación.

La diferencia principal entre el primer diseño y el último diseño radica en mejoras de funcionalidad

para llegar a optimizar el diseño, pasando desde aspectos mecánicos, electrónicos, informáticos y de

fabricación; en las próximas líneas se explicara el proceso de esta evolución hacia un diseño final

del gripper.

Diseño Mecánico

A continuación se presenta la evolución del diseño que se obtuvieron durante el desarrollo del

proyecto en Trabajo Terminal II.

Primer diseño mecánico.

Las principales características que debe tener este diseño mecánico se encuentran en la colocación

de los sensores de medición de la fuerza pues deben estar ubicados de tal manera que permitan el

sensado de la fuerza en dos posiciones: vertical y a una inclinación de un rango de 40° a 45°;

además de permitir el movimiento vertical de la hoja y establecer una adaptación con la muñeca del

robot Mitsubishi® RV-M1.

El primer problema a resolver era la sujeción del bisturí; es decir la manera en la cual el efector

final sujetara al bisturí; el agarre de este tiene que ser por el mango, el cual presenta una geometría

rectangular con un espesor pequeño. La solución a este problema se encuentra en el diseño de dos

piezas simétricas las cuales en su parte central adoptaran la forma rectangular del mango del bisturí,

y lo sujetaran por medio de unos tornillos en sus caras laterales; sin embargo esta sujeción debe



112

tener la libertad de un desplazamiento vertical para alcanzar la profundidad en el corte; la pieza lo

logra por medio de unas guías las cuales están ubicadas en sus costados y recorren toda su longitud.

El segundo problema en el diseño del efector final es generar un soporte para las partes que sujetan

al bisturí. La solución se encuentra en el diseño de una pieza con la cual se hará una especie de

encapsulamiento de las partes de sujeción, permitiendo además el desplazamiento vertical y

contener un acople de la parte de empuje para generar el desplazamiento del bisturí.

El mecanismo para el desplazamiento vertical convierte el movimiento circular de un piñón

accionado por un motor, en un movimiento lineal continuo reflejado en la cremallera, que no es más

que una barra rígida dentada. Este mecanismo es reversible, es decir, el movimiento rectilíneo de la

cremallera está dado por la acción circular del piñón sobre esta, al invertir el giro del motor la

cremallera se desplaza en sentido contrario al del inicio.

En síntesis el piñón al girar y estar engranado a la cremallera, empuja a ésta, provocando su

desplazamiento lineal.

Aunque el sistema es perfectamente reversible, su utilidad práctica suele centrarse solamente en

la conversión de circular en lineal continuo, siendo muy apreciado para conseguir movimientos

lineales de precisión (caso de microscopios u otros instrumentos ópticos como retroproyectores y el

desplazamiento del cabezal de los taladros sensitivos); por lo cual el mecanismo cremallera piñón es

ideal para dar la profundidad de corte; cuyo movimiento será accionado por un motor de DC al

elemento motriz y en este caso el elemento conducido o la cremallera empujara al a la pieza de

sujeción del bisturí para hacer una incisión con cierta profundidad.

Cabe hacer mención que no se realizara la manufactura del piñón y la cremallera por la falta de

maquinaria y herramienta, así como el tiempo el cual es un factor preponderante en el desarrollo del

efector final. En la figura 104 se presenta un mecanismo de cremallera piñón tomado de la

biblioteca de SolidWorks® 2011.

Figura 104 Piñón cremallera generada de la biblioteca de SolidWorks® 2011.



113

El mecanismo de empuje está conformado por tres piezas: una pieza de empuje, un eje y un resorte;

para la primera pieza se trata de un soporte de desplazamiento empujado por la cremallera y que a la

vez empuja la pieza de sujeción y considera un acoplamiento para desplazarse sobre el interior de

la parte principal, fig. .105

Figura 105 Soporte de empuje de la pieza de sujeción.

La segunda es un eje que hace la función de guía para el resorte y proporciona un tope al

desplazamiento el cual por los efectos de este será de 50 mm como máximo, fig. 106.

Figura 106 Eje guía del resorte tope del desplazamiento.



114

Por último el resorte genera una fuerza de reacción necesaria para poder contrarrestar la fuerza de

empuje del mecanismo de desplazamiento; este será adquirido con un módulo de elasticidad idóneo

a las fuerzas obtenidas del sensor de fuerza; para representar una fuerza de reacción; con la cual se

pretende estabilizar las mediciones del sensor de fuerza.

Se realizó el dibujo del resorte en SolidWorks® 2011, para efectos de ensamble con el eje y el

soporte de la pieza de empuje para una posterior simulación, fig. 107,108 y 109.

Figura 107 Resorte para la fuerza de reacción.

Figura 108 Mecanismo de empuje.



115

Figura 109 Mecanismo de desplazamiento completo.

El mecanismo de sensado en inclinación de 45°, parte de la pieza principal la cual en uno de sus

costados presenta un eje en el cual se acoplara un rodamiento para tener un giro en ese punto, fig.

57; posteriormente el diseño de las piezas de adaptación superior e inferior tendrán una inclinación

de 5° con respecto a la posición de la pieza principal; la diferencia en estas inclinaciones radica en

que la pieza de adaptación superior la tendrá en el frente y la pieza de adaptación inferior la tendrá

en la parte de atrás, fig. 107 y 108, respectivamente.

El Diseño completo inicia con el mango del escalpelo; el cual embona en las dos piezas de sujeción,

a las cuales se les agrega el soporte de empuje junto con los ejes y los resortes, fig.110

Figura 110 a) Mango del bisturí, b) Colocación de las piezas de sujeción, c) Acoplamiento del mecanismo de

Soporte.

El paso siguiente consiste en ensamblar las piezas principales y colocar la cremallera en posición

para después ensamblar los soportes del motor y del eje, fig.111.



116

Figura 111 a) Montaje pieza principal y la colocación de la cremallera, b) montaje de los soportes de los motores.

Posteriormente se procede a montar el motor y el piñón; y acoplarlos en los soportes respectivos,

fig.112.

Figura 112 Montaje del motor y del piñón.

El paso siguiente cosiste en montar los rodamientos en las piezas de adaptación laterales y montar

estas en el eje de la pieza principal, para proceder a ensamblar estas dos piezas en la base de la

muñeca del robot, fig. 113.



117

Figura 113 a) Montaje de las piezas de adaptación lateral, b) Montaje en la base de la muñeca del robot

Mitsubishi® RV-M1.

El paso final consiste en montar las piezas de adaptación inferior y superior con la base de la

muñeca del robot Mitsubishi® RV-M1 fig.114.

Figura 114 Adaptación final de las piezas superior e inferior al efector final y a la base de la muñeca del robot

Mitsubishi® RV-M1.

Sin embargo como se comentó en el apartado anterior el diseño propuesto en Trabajo terminal I, fue

de realizado sin tener experimentaciones numéricas; es decir solo se tomó la geometría; generando

tres inconvenientes en su diseño los cuales no se tomaron en cuenta; el primero es el tamaño, pues

su geometría rebasaba por mucho los límites de trabajo del Robot Mitsubishi® RV-M1, el segundo

su fabricación pues requería de maquinaria especial para llevar a cabo su manufactura un claro

ejemplo son las piezas con colas de milano; y el último y más importante el peso; el programa de

SolidWorks®, tiene una propiedad para calcular el peso, con lo cual el peso de todo el gripper

planteado en TT1 resultaba de 3.18 Kg afectando de manera muy considerable en el proyecto ya

que el robot solo soporta 1.2Kg, además de que el maquinado del diseño original tenía partes un

tanto complicadas de maquinar debido a la falta de materiales en el laboratorio, así que como se

comentó en el examen de TT1 se optimizaría el diseño tratando de adecuarnos a la facilidad de

maquinado y tiempo. En las siguientes figuras se muestra la geometría del segundo diseño.



118

ANEXO E

HOJAS DE ESPECIFICACIONES

Figura 115 Hoja de especificaciones de la galga extensiométrica.



119

Figura 116 Data sheet LM7805 y LM7809 (Internal Block Diagram).



120

Figura 117 Datasheet 7805 (Electrical Characteristics)



121

Figura 118 Datasheet LM7809 (Electrical Characteristics).



122

Figura 119 Datasheet LM7905 y LM7909 (Internal Block Diagram).



123

Figura 120 Datasheet LM7905 (Electrical characteristics).



124

Figura 121 Datasheet LM7909 (Electrical Characteristics).



125

Figura 122 Datasheet AD620 (Features).



126

Figura 123 Datasheet AD620 (Specifications) 1.



127

Figura 124 Datasheet AD620 (Specifications) 1.



128

Figura 125 Datasheet TL084 y TL082 (Description).



129

Figura 126 Datasheet TL084 y TL082 (Package Top View).



130

Figura 127 Datasheet TL084 y TL082 (Available Options).



131

Figura 128 Datasheet TL084 y TL082 (Schematic).



132

ANEXO F

Manejo del Teaching box y explicación de la sintaxis para el algoritmo de control y

movimiento del Robot Mitsubishi® RV-M1

Teaching box

Este dispositivo, permite manejar manualmente el robot, cuenta con un teclado cuyos botones

presentan varias funciones según el modo configurado; en la Tabla 1, se presentan los comandos

más utilizados cuando se opera manualmente el robot, en ella se incluyen la secuencia de botones

que se utiliza para habilitar cada una de las funciones del teaching box.

Tabla 9 Funciones más utilizadas del Teaching box.



133

Figura 129 Teaching box.

Programación del robot

Para programar el robot se utilizan diferentes comandos que se clasifican de la siguiente forma:

Instrucciones de control de posición y movimiento.

Comandos para estructurar los programas.

Instrucciones de control de la mano (gripper).

Comandos de control de entrada salida I/O.

Instrucciones de lectura a través de RS-232.

Las instrucciones marcadas con asterisco (*) se ejecutan inmediatamente después de ser enviadas y

no pueden ser incluidas en un programa en el que el número de línea que precede cada comando

indique la secuencia que desarrollará el robot.



134

Control de posición y movimiento

DP A partir de la posición actual, el robot se mueve a la anterior posición definida.

DW < distancia en x >, < distancia en y >, < distancia en z > Conservando la orientación, el robot desplaza el efector desde el punto en el que se encuentra, hasta

un nuevo punto a una distancia determinada por los parámetros anteriores, en los ejes X, Y y

Z.

HE < número de la posición> Guarda la posición actual asignándole el número suministrado como parámetro. Debe cumplirse

que: 0<número de la posición<630.

IP

Lleva el robot a la siguiente posición definida.

MA < posición 1>, < posición 2>

Mueve el robot a la posición que se obtiene al sumar las componentes de las posiciones 1 y 2. Estas

componentes son las coordenadas X, Y y Z, en las que se encuentra el efector y los ángulos

correspondientes a pitch y roll, que determinan su orientación.

MC < posición 1 >, < posición 2 >, < O o C >

El robot se mueve en forma continua entre la posición 1 y posición 2, pasando a través de las

posiciones intermedias que hayan sido declaradas.

MJ < cintura >, < hombro >, < codo >, < pitch >, < roll > (*)

Mueve el robot por articulaciones. Cada parámetro se suministra en grados según los límites

presentados en la tabla 2.

MO < posición >, < O o C >

Movimiento a la posición seleccionada con el gripper abierto o cerrado (O o C).

MP <coord. X>, <coord. Y>, <coord. Z>, <ángulo Pitch>,<ángulo roll> (*)

Mueve el efector final del robot al punto dado por las coordenadas X, Y y Z, con orientación

definida por los ángulos pitch y roll.

MS < posición >, < número de puntos intermedios >, < O o C >

Genera movimiento desde la posición actual hasta la nueva posición pasando través de un número

definido de puntos intermedios.

MT < posición >, < distancia >, < O o C >

Movimiento en dirección de la herramienta a partir de la posición dada, a lo largo de la distancia

definida.

NT

Lleva el robot a su origen mecánico.

OG

Lleva el robot al origen de movimiento por articulación. J =J =J =J =J = 0 grados. 1 2 3 4 5



135

PC < posición 1 >, < posición 2 >

Borra las posiciones definidas en el intervalo comprendido entre la posición 1 y la posición 2.

PD < posición >, <coord. X>, <coord. Y>, <coord. Z>, <Pitch>, <Roll> (*)

Crea una posición en las coordenadas dadas y con la orientación definida por los ángulos pitch y

roll.

PL < Posición 1 >, < Posición 2 >

Asigna las coordenadas y ángulos correspondientes a la posición 2 a la posición 1, borrando su

contenido en caso de que esta se encontrara definida previamente.

PX < posición 1 >, < posición 2 >

Asigna la posición 1 a la posición 2 y viceversa.

SF < posición 1 >, < posición 2 >

Asigna a la posición 2 la suma de las coordenadas y ángulos de las posiciones 1 y 2.

SP < nivel 0 a 9 >, < H o L >

Define la velocidad de movimiento del robot y su aceleración, que puede ser alta (H) o baja (L).

TI < contador de 0 a 32767 >

Espera un periodo de tiempo en segundos equivalente al valor del contador dividido entre 10.

TL < longitud >

Permite variar la longitud de la herramienta o efector final utilizados por el robot, para que los

cálculos de posición sean realizados en función de esta nueva dimensión.

WH

Lee las coordenadas y ángulos de orientación de la posición en la que se encuentra el robot.

ANEXO G

PLANOS DE FABRICACIÓN

68

A A

5

40

80

5

10

20 No.4; 3

No.

4;M

4X0.

5

30

CORTE A-A

Tolerancia general JS10 js10Donde no este indicado de otra manera quitar esquinas con R=0.3

Trabajo Terminal II: "Diseño y Construcción de gripper experimental adaptado al robot Mitsubishi RV-M1"

Dibujó: Carlos Raúl Del Villar Santos

Revisó: Ing. Emilio Nicéforo Brito Martínez

Esc.: 1.1

5 4 3 2 1

Descripción: Base

Acot.: mm

Diedro:

Fecha: 22/08/2012Material: ASTM 6061 T6 No. de dibujo: 1 de 6

"UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS"UPIITA

12.50

23.

38 5

2.62

6

0 63

100

4

19.25

No. 2; R2.38

K K

M

M

10.

50

SECCIÓN K-K ESCALA 1 : 1

2.60

M4

X0.5

SECCIÓN M-M ESCALA 1 : 1

Tolerancia general JS10 js10Donde no este indicado de otra manera quitar esquinas con R= .5




Esc.: 1:1

5 4 3 2 1

Descripción: Eje

Acot.: mm

Diedro:



A A

15 60 65

25

30

20

5

No.

4;4

58

22

CORTE A-A

Tolerancia general JS10 js10Donde no este indicado de otra manera quitar esquinas con R= 0.3




Esc.: 1:1

5 4 3 2 1

Descripción: Camisa

Acot.: mm

Diedro:

Fecha: 22/08/2012Material: ASTM 6061T6 No. de dibujo: 3 de 6


30

No. 2; 4

17 20 2

5 30

17.50

13.

60

A A

15

4.78

CORTE A-A





Esc.: 1:1

5 4 3 2 1

Descripción: Tapa

Acot.: mm

Diedro:



No. 2; R2.38 2

.62

5

10.

24

B

B

No.

2; M

4X0.

5

CORTE B-B

3





Esc.: 5:1

5 4 3 2 1

Descripción: Chaveta

Acot.: mm

Diedro:

Fecha: 22/08/2012Material: ASTM 6061T6 No. de dibujo: 5 de 6


5

22.

50

27.

19

32.

19

50

97.

50

24.

50 M3X0.5

2

R2.50

2.55 5.40

12.70 22.55

25.40

10

15

10°

5

10

15





Esc.: 1:1

5 4 3 2 1

Descripción: Pieza galgas

Acot.: mm

Diedro:





143

Referencias

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[19] Dávila Hernández Gustavo Enrique, “Implementación de un Sistema Mecatrónico para el

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145

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http://www.fcs.uc.edu.ve/bidequir/und01_tema01_9.htm

“diseño y construcción de un gripper experimental para … · 2018-12-05 · madre en momentos...

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