Este trabalho apresenta as equações dinâmicas de um dispositivo - Serra Ortopédica Mecatrônica. Para tanto, apresenta uma breve descrição da mecatrônica aplicada à área medica e uma relação dos principais centros de pesquisa em bioengenharia. Particularmente, é apresentado, um estudo da doença e seu tratamento foco deste trabalho osteoartrite e a osteotomia, respectivamente. Este é o primeiro trabalho em obtenção das equações matemáticas da serra mecatrônica e apresenta detalhes relacionados à sua estrutura construtiva mecânica baseada em uma metodologia de projeto mecatrônico. O trabalho também analisa e propõe uma lei de controle para um dos movimentos da serra mecatrônica, além de fornecer uma expressão matemática representa o comportamento da força de resistência do osso durante o processo de perfuração. As comparações preliminares entre o modelo matemático e o comportamento real da serra mecatrônica indicaram um bom comportamento do modelo.

An orthopaedic saw design and commissioning to be driven by a robot was envisaged based on the requirement to develop a system that would allow a physician to automate some surgical procedures that involve limb manipulation. The project goal is to design and build a proof-of-concept prototype employing both mechatronics and Integrated Product Design techniques and tools, following the specific demands required to build a medical device such as its weight, movement's and patient's anatomic constraints. This saw have intelligent features regarding its control strategy relying on its sensing capabilities such as force feedback and blade temperature sensing. The role of temperature is particularly important because the bone overheating causes cells necrosis. The cut's force penetration sensing provides readings to estimate the saw position during surgery in course. The saw's robot handling ensures the flatness and accuracy of the cut, providing the correct requirements for the osteotomy treatment. The accomplishment of these surgical requirements would ensure a higher rate of successful procedures, besides, it would promote shorten the patients' recovery time. The designing and building of prototype themselves are the original contributions. Furthermore, the spin-offs from this work such as the system's model and the study of its control are important highlights.

Este trabalho é uma continuidade das pesquisas na área de mecatrônica aplicada à medicina do ITA, e tem como objetivo modelar numericamente a distribuição de temperaturas em ossos, durante a cirurgia de osteotomia de tíbia, realizada com o auxílio de uma serra mecatrônica ortopédica. Durante o processo cirúrgico a temperatura do osso deve ser controlada para evitar sua necrose térmica devido à alta temperatura, principalmente se a cirurgia for realizada com recursos de automação. Para se modelar a distribuição de temperatura durante o corte, é necessário conhecer o fluxo de calor gerado devido ao atrito durante o tempo de corte. Para tanto, devem ser conhecidos alguns parâmetros operacionais do equipamento robótico da qual a serra é parte componente, quais sejam, velocidade de avanço da serra, velocidade semi-rotativa das lâminas, e o tempo total de corte, e algumas propriedades físicas do osso: condutividade térmica, densidade, difusividade térmica e tensão de cisalhamento. A partir desses parâmetros, este trabalho apresenta a modelagem do fluxo de calor serra/osso durante o corte do osso. Posteriormente, o fluxo de calor calculado é utilizado como condição de contorno para resolver a equação diferencial da temperatura dada pela equação da condução de calor, que é avaliada, de forma qualitativa, bidimensionalmente e em regime transitório. Finalmente, conhecendo-se o valor da temperatura ao longo do osso durante o corte, é possível manter esse valor nos limites aceitáveis, por meio do monitoramento das variáveis do procedimento cirúrgico, evitando-se conseqüentemente, a necrose térmica do osso.

A automação de cirurgias é uma realidade que tem contribuído para a melhoria de qualidade e eficiência tão necessárias na área de saúde. O projeto de uma serra ortopédica conduzida por um sistema robótico foi idealizado com base em uma necessidade de se desenvolver um sistema que permite um médico automatizar processos cirúrgicos envolvendo manipulação de membros. Neste contexto, o trabalho proposto apresenta o desenvolvimento de uma estratégia de controle para o movimento translacional desta serra mecatrônica, uma vez que este é o movimento mais complexo da serra. Para o desenvolvimento desta estratégia de controle, o índice de desempenho - sobresinal - é o parâmetro que deve ser controlado para se evitar um avanço brusco do suporte das lâminas da serra. O monitoramento do comportamento desse parâmetro é feito através de um sensor de força que será inserido na serra mecatrônica, já que a força de corte também fornece a condição de parada da serra. Os resultados obtidos em laboratório e via simulação mostraram que a estratégia de controle adotada foi satisfatória, pois se verificou que a resposta do sistema eliminou o índice de sobresinal, o que equivale dizer que a força de corte foi devidamente monitorada pelo sensor e assim, o programa de controle consegue indicar o momento exato de parada da serra.