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Consola de teleoperación de realidad mixta para sistemas quirúrgicos robóticos
Get PDFThis work presents the design and implementation of an immersive teleoperation console for robotic surgical systems basedon mixed reality (MR). The proposed system integrates virtual reality glasses and a haptic controller for operating a roboticassistant, such as a surgical suction device, during minimally invasive procedures. The MR console overlays relevant augmentedinformation onto the real endoscopic image, providing contextual support to the assistant. The architecture supports both directteleoperation and supervision of semi-autonomous behaviors. The visualization system is implemented in Unity, supporting bothtwo-dimensional and three-dimensional views, and is integrated with the ROS operating system, enabling communication withother components of the system. A use case is described for controlling a surgical suction device, which has been automated byadapting a conventional aspirator to operate via ROS commands. Finally, an experiment with the complete system is presented,demonstrating the feasibility of the proposed teleoperation console.Este trabajo presenta el diseño e implementación de una consola inmersiva de teleoperación para sistemas quirúrgicos robóticos, basada en realidad mixta. El sistema propuesto integra unas gafas de realidad virtual y un controlador háptico para el manejo de las herramientas durante intervenciones de cirugía mínimamente invasiva. La consola de RM superpone información aumentada relevante sobre la imagen real del endoscopio, proporcionando apoyo contextual al asistente. La arquitectura permite tanto la teleoperación directa como la supervisión de comportamientos semiautónomos. El sistema de visualización está implementado en Unity, tanto para visión bidimensional como tridimensional, e integrado con el sistema operativo ROS, lo que permite la comunicación con el resto de componentes del sistema. Se describe un caso de uso para el manejo de un aspirador quirúrgico, que se ha automatizado adaptando un aspirador convencional para su uso mediante comandos de ROS. Finalmente, se presenta un experimento del sistema completo en el que se demuestra la viabilidad de la consola de teleoperación propuesta
Banco de pruebas robotizado para modelar procesos de pulido de superficies
Get PDFSurface treatment using robots has become a common task in industry, particularly when dealing with large areas. Operations such as matting, polishing, or sanding are typically performed using abrasive sponges that move along the surface. This work presents the design of an experimental platform aimed at studying automated polishing with a collaborative robotic manipulator. A KUKA LBR iiwa 14 robot has been integrated with a force sensor and a sponge-based polishing tool to replicate real working conditions on flat surfaces. Through several experimental trials, forces, torques, and joint states are recorded to analyse the mechanical behaviour of the sponge during the compression and lateral movement phases. The results will provide a basis for modelling the force–penetration relationship, as well as for estimating parameters such as stiffness, damping and friction coefficient. The platform enables future developments including testing on curved surfaces, incorporating liquid abrasives, and implementing advanced force control strategies. This work represents an initial experimental approach toward the optimization of robotic polishing processes.El tratamiento de superficies mediante robots se ha convertido en una tarea habitual en la industria, en especial cuando se tratan grandes superficies. Tareas como matizado, pulido o lijado se llevan a cabo mediante esponjas abrasivas que recorren la superficie. Este trabajo presenta el diseño de una plataforma experimental orientada al estudio del pulido automatizado mediante un manipulador robótico colaborativo. Se ha integrado un robot KUKA LBR iiwa 14 con un sensor de fuerza y una herramienta con esponja de pulido para simular condiciones reales de trabajo sobre superficies planas. A través de varios ensayos experimentales se registran fuerzas, pares de fuerza y estados articulares para analizar el comportamiento mecánico de la esponja durante las fases de compresión y desplazamiento. Los resultados servirán de base para modelar la relación fuerza-penetración, así como para calcular parámetros como la rigidez, la viscosidad y el coeficiente de fricción. La plataforma abre la posibilidad de realizar futuras pruebas sobre superficies curvas, incorporar abrasivos líquidos y desarrollar estrategias avanzadas de control de fuerza. Este trabajo constituye una primera aproximación experimental hacia la optimización del pulido con robots
Optimización de la Configuración de Puertos y del Posicionamiento de los Brazos Robóticos en Cirugía Laparoscópica Robotizada
No full textThis work presents an algorithm to optimize the configuration of surgical ports and the positioning of robotic arm bases in robot-assisted laparoscopic surgery. A kinematic evaluation based on the Conditioning Index (CI) is performed, identifying valid base-port combinations that ensure complete maneuverability throughout the entire target organ. Subsequently, DBSCAN is applied to identify port clusters, and a multi-objective optimization is carried out, considering base separation, port distribution, and adjacency. The process is validated through simulations involving two UR3e robots and up to four ports, demonstrating the effectiveness of the method in obtaining optimal and robust solutions. The algorithm is particularly useful in preoperative planning, as it provides the surgeon with base/port configurations that guarantee the feasibility of the procedure in terms of maneuverability and minimize the risk of collisions.Este trabajo presenta un algoritmo para optimizar la configuración de los puertos quirúrgicos y la colocación de las bases de brazos robóticos en cirugía laparoscópica robotizada. Se realiza una evaluación cinemática basada en el Conditioning Index (CI), identificando combinaciones válidas de base y puertos que garanticen la movilidad en todo el órgano diana. Posteriormente, se aplica DBSCAN para identificar agrupaciones de puertos y se realiza una optimización multiobjetivo que considera separación entre bases, distribución y adyacencia de los puertos. El proceso se valida mediante simulaciones con dos robots UR3e y hasta cuatro puertos, demostrando la efectividad del método para obtener soluciones óptimas y robustas. El algoritmo es especialmente útil en la planificación preoperatoria, ya que permite reducir la dependencia de la experiencia del cirujano y mejora la adaptabilidad a diferentes morfologías y configuraciones
Control de un dispositivo de asistencia para personas discapacitadas de miembro inferior
Get PDFLower limb disabilities severely affect mobility and quality of life. Biomedical engineering, especially through prostheses and exoskeletons controlled by EMG signals, offers promising solutions. This study focuses on the control of a knee orthopedic device based on PID and variant controllers, modeled in SolidWorks 2021 and Matlab/Simulink 2024b, considering biomechanical, mechanical and electrical aspects. PID, PI, and P control strategies are applied, together with an anti-windup mechanism to deal with saturation in the actuator, and an adaptive MRAC control. The performance of the different controllers is evaluated using the IAE index, highlighting that the best performance is obtained by the classic PID controller with anti-windup and MRAC with PID. analysis highlights the need for customized and efficient real-time solutions. Future research should address improved control, adaptability and computational feasibility in real environments, exploring technologies such as machine learning or neural networks. These developments are essential to improve the autonomy and safety of people with knee disabilities.Las discapacidades en miembros inferiores afectan gravemente la movilidad y calidad de vida. La ingeniería biomédica, especialmente mediante prótesis y exoesqueletos controlados por señales EMG, ofrece soluciones prometedoras. Este estudio se centra en el control de un dispositivo ortopédico para rodilla basado en controladores PID y variantes, modelado en SolidWorks y Simulink, considerando aspectos biomecánicos, mecánicos y eléctricos. Se aplican estrategias de control PID, PI, y P, junto con un mecanismo anti-windup para tratar la saturación en el actuador, y un control adaptativo MRAC. Se evalúa el rendimiento de los distintos controladores usando el índice IAE, destacando que el mejor desempeño lo obtiene el controlador PID con anti-windup. Aunque MRAC muestra mejoras a largo plazo, presenta errores iniciales significativos. El análisis resalta la necesidad de soluciones personalizadas y eficientes en tiempo real. Las futuras investigaciones deben abordar la mejora del control, adaptabilidad y viabilidad computacional en entornos reales, explorando tecnologías como aprendizaje automático o redes neuronales. Estos desarrollos son esenciales para mejorar la autonomía y seguridad de personas con discapacidad de rodilla
Optimización inteligente de trayectorias en manipuladores industriales mediante algoritmo PSO
Get PDFThis work presents an initial approach toward an intelligent methodology for trajectory optimization in industrial manipulators, based on the metaheuristic algorithm Particle Swarm Optimization (PSO). The evaluation is carried out in a MATLAB simulation environment that incorporates a dynamic model of the robot, including mass, volume, and inertia of the links, as well as obstacle representation and collision detection. Three cost functions are proposed and compared, each considering different physical performance metrics: (i) total trajectory time, (ii) joint effort, estimated through the average and maximum torques applied, and (iii) a weighted combination of both criteria. The optimization follows a staged strategy: it first ensures geometric feasibility by eliminating trajectories with collisions, and then refines the solution by optimizing the physical metrics. The results show that the proposed optimization technique leads to more efficient and realistic trajectories, with higher potential for deployment in demanding industrial environments.Este trabajo presenta un primer enfoque sobre una metodología inteligente para la optimización de trayectorias en manipuladores industriales, basada en el algoritmo metaheurístico Particle Swarm Optimization (PSO). La evaluación se realiza en un entorno de simulación desarrollado en MATLAB que incorpora un modelo dinámico del robot, incluyendo masa, volumen e inercia de los eslabones, así como la presencia de obstáculos y detección de colisiones. Se proponen y comparan tres funciones de coste que consideran distintas métricas físicas: el tiempo total de trayectoria, el esfuerzo articular, estimado mediante los pares medios y máximos aplicados, y una combinación ponderada de ambos criterios. El proceso de optimización sigue una estrategia escalonada, que primero garantiza la viabilidad geométrica mediante la eliminación de trayectorias con colisiones, y posteriormente refina el resultado optimizando las métricas físicas. Los resultados evidencian que la técnica de optimización propuesta permite obtener trayectorias más eficientes y realistas, con mayor potencial de implementación en entornos exigentes
Evaluación de detección de caídas mediante visión computacional y radar
Get PDFFalls are the most frequent accident among the elderly and, when they occur at home, nearly 70% of those who fall are unable to get up on their own or seek help immediately. Therefore, automatic fall detection systems are essential to ensure a rapid response, reduce inattention time and improve the quality of life of the elderly. This study compares two approaches for detection in the home environment: a fixed radar system, evaluated in different configurations, and a computer vision-based detector integrated into a mobile robot, whose mobility allows it to cover blind areas without the need for prior calibration. Both systems were tested under controlled conditions, simulating five types of fall in four different locations. This paper presents the results obtained after experimentation, as well as the most suitable contexts for the application of each detection system.Las caídas representan el accidente más frecuente entre las personas mayores y, cuando ocurren en el domicilio, cerca del 70\% de quienes las sufren no logran levantarse por sí mismos ni solicitar ayuda de forma inmediata. Por ello, disponer de sistemas de detección automática de caídas resulta esencial para garantizar una respuesta rápida, reducir el tiempo de inatención y mejorar la calidad de vida de las personas mayores. En este estudio se comparan dos enfoques para la detección en el hogar: un sistema radar fijo, evaluado en diferentes configuraciones, y un detector de visión computacional integrado en un robot móvil, que cubre zonas ciegas sin necesidad de calibración previa. Ambos sistemas fueron sometidos a varias pruebas representadas en las mismas condiciones, simulando cinco tipos de caída en cuatro ubicaciones diferentes.El presente documento recoge los resultados obtenidos tras la experimentación, así como las situaciones más idóneas en las que utilizar cada sistema de detección
Detección inteligente de posibles situaciones de riesgo de usuarios de silla de ruedas en trasporte
Get PDFThe use of transportation can generate risk situations for wheelchair users that may negatively impact their functional status.Therefore, it is essential to identify the conditions they are exposed to during travel. This study presents an AI-based identifierof potential risk situations for wheelchair users, structured in two stages. First, it classifies whether the user is in rail transport,wheeled transport, or stationary. Then, it detects whether the vehicle is moving, turning, or braking. Two intelligent techniques,KNN and ANN, have been evaluated. Both achieve an accuracy rate of 98.7% in the first stage. In the second stage, KNNshows better results, with precision rates above 92 %, while ANN presents values exceeding 81 %. The system enables thecontextualization of postural data collected during the users’ daily activities, facilitating clinical interpretation and supportingtreatment decisions.El uso del transporte puede generar situaciones de riesgo para usuarios de silla de ruedas que influyan negativamente en su estado funcional, por ello es esencial identificar las condiciones a las que están expuestos durante sus desplazamientos. Este estudio presenta un identificador, basado en IA, de posibles situaciones de riesgo para usuarios de sillas de ruedas en dos etapas. Primero, se clasifica si el usuario se encuentra en un transporte sobre raíles, ruedas o detenido. Después, se identifica si el vehículo está en movimiento, girando o frenando. Se han evaluado dos técnicas inteligentes, KNN y ANN. Ambas alcanzan un porcentaje de acierto del 98,7% en la primera etapa. En la segunda, KNN muestra mejores resultados, con precisiones superiores al 92%, mientras que ANN presenta valores por encima del 81%. El sistema permite contextualizar los datos posturales recogidos en la actividad diaria de estas personas, lo que facilita su interpretación clínica y contribuye a tomar decisiones para mejorar el tratamiento
Control neuronal híbrido ISC-DSC para la máxima extracción de energía en turbinas eólicas marinas
Get PDFIn this research, the control operation of a 1.5MW floating offshore wind turbine (FOWT) is studied for maximum power point tracking (MPPT) using a hybrid ISC-DSC neural control strategy. The proposed controller applies a neural network that is trained with indirect speed control (ISC) system data, and integrated as part of a direct speed control (DSC) scheme to close the control loop. A realistic offshore wind turbine model, simulated with OpenFAST software, is subjected to environmental conditions of wind and waves that alter the dynamics of the system, increasing its complexity. Even in the face of these difficulties, it is demonstrated that the proposed controller generates satisfactory results in comparison with the OpenFAST embedded control system used as a reference. Higher energy production is achieved without causing relevant impacts on the movement of the structure.En esta investigación se estudia la operación de control de un aerogenerador marino flotante (FOWT) de 1.5MW para el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) mediante una estrategia de control neuronal híbrida ISC-DSC. El controlador propuesto aplica una red neuronal que se entrena con los datos de sistema de control indirecto de velocidad (ISC), y se integra como parte de un esquema de control directo de velocidad (DSC) para cerrar el lazo de control. Un modelo realista de turbina eólica marina, simulado con el software OpenFAST, es sometido a condiciones ambientales de viento y olas que alteran la dinámica del sistema, incrementando su complejidad. Aún frente a estas dificultades se demuestra que el controlador propuesto genera resultados satisfactorios en comparación con el sistema de control embebido de OpenFAST, utilizado como referencia. Se logra una mayor producción de energía sin causar impactos relevantes en el movimiento de la estructura
Diseño e integración de una plataforma robótica bimanual móvil para la manipulación inteligente: avances del proyecto MANiBOT
Get PDFThe European project MANiBOT aims to enhance the physical and cognitive capabilities of collaborative service robots, bringing their object manipulation performance closer to that of humans. The goal is to enable efficient, adaptable, and robust bi-manual manipulation in dynamic, human-populated environments, handling diverse objects without prior precise knowledge of their properties. This work presents the objectives of the project as well as the mechanical design, component selection, and electromechanical integration of a mobile bi-manual robotic platform specifically developed to operate in real, unstructured environments such as supermarkets and airports. The structure has been conceived to securely and stably support two collaborative robotic arms on any autonomous mobile base, while maintaining modularity and flexibility for different application scenarios. The criteria used for the structural frame design and integration are detailed. Finally, the functional tests—both planned and ongoing—are described, aimed at validating the system’s ability to perform complex manipulation tasks.El proyecto europeo MANiBOT tiene como objetivo impulsar las capacidades físicas y cognitivas de los robots de servicio colaborativos, acercando su rendimiento en manipulación de objetos al de los humanos. La meta es lograr una manipulación bimanual eficiente, adaptable y robusta, en entornos dinámicos y potencialmente poblados por personas, manipulando objetos diversos sin conocimiento preciso previo de sus propiedades. En este trabajo describen los objetivos del proyecto y se presenta la concepción mecánica del sistema, la selección de componentes y la integración electromecánica de una plataforma robótica bimanual móvil desarrollada específicamente para operar en entornos reales y desestructurados como supermercados y aeropuertos. La estructura ha sido concebida para soportar de forma estable y segura dos brazos robóticos colaborativos sobre cualquier base móvil autónoma, manteniendo el modularidad y la flexibilidad para los diferentes escenarios de aplicación. Se detallan los criterios seguidos para el diseño e integración estructural del bastidor. Finalmente, se describen las pruebas funcionales previstas y en curso, enfocadas a validar la capacidad del sistema para realizar tareas complejas de manipulación
Evaluación de una Plataforma Háptica de Realidad Virtual para la Rehabilitación Funcional del Miembro Superior
Get PDFThis work presents the development of a haptic virtual reality platform for upper limb rehabilitation, aimed at patients with acquired brain injury. The system integrates a haptic device (TouchTM) with two visualization modes: a conventional monitor and a head-mounted display (HMD). Three mini-games with specific therapeutic goals were designed and implemented in an immersive environment developed in Unity. Fourteen healthy participants were evaluated under two visualization conditions (2D and HMD) using a counterbalanced protocol. Results indicate that the type of visualization significantly affects performance in tasks requiring depth perception, but not in the other two games. Furthermore, participants reported high levels of satisfaction with the experience. This platform shows promising potential for clinical application, although limitations such as the small sample size and the restricted workspace of the haptic device are acknowledged.Este trabajo presenta el desarrollo de una plataforma de realidad virtual háptica para la rehabilitación funcional del miembro superior, orientada a pacientes con daño cerebral adquirido. La solución integra un dispositivo háptico (TouchTM) con distintos modos de visualización: un monitor convencional y un visor de realidad virtual (HMD). Se diseñaron tres minijuegos con objetivos terapéuticos específicos, implementados en un entorno inmersivo desarrollado con Unity. Se evaluó el rendimiento de 14 participantes sanos en dos condiciones de visualización (2D y HMD), siguiendo un protocolo contrabalanceado. Los resultados muestran que el tipo de visualización influye significativamente en el juego que requiere percepción de profundidad, pero no en los otros dos. Además, los participantes manifestaron altos niveles de satisfacción con la experiencia. Esta plataforma muestra un potencial prometedor para futuras aplicaciones clínicas, aunque se señalan limitaciones como el tamaño reducido de la muestra y del área de trabajo del dispositivo háptico