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Kollisionsvermeidung für einen Single Port Chirurgie Roboter mit zwei Manipulatoren

Li, Mengguang (2018):
Kollisionsvermeidung für einen Single Port Chirurgie Roboter mit zwei Manipulatoren.
TU Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

Das FLEXMIN Projekt, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), zielt auf die Erweiterung der Flexibilität der minimal-invasiven Instrumente für Weichgewebe Interventionen. Ein Manipulator des FLEXMINs kann einen zylindrischen Arbeitsbereich mit einem Durchmesser von 60mm und einer Länge von 80mm erreichen. Das TCP kann Kräfte von bis zu 5N aufnehmen und Geschwindigkeiten von bis zu 327mm=s erreichen. Vor dieser Arbeit wurde noch keine Methode für die Kollisionsvermeidung zweier Manipulatoren eingesetzt. Bei allen bisherigen Probandenversuchen mit zwei Manipulatoren mussten alle Probanden gebeten werden, auf eine Überkreuzung der Manipulationsarme möglichst zu verzichten, um Kollisionen der Manipulatoren und damit eine Beschädigung zu vermeiden. Gegenstand der vorliegenden Masterarbeit ist daher ein Konzept zu entwickeln und umsetzten, um eine Kollisionsvermeidung für den Single-Port-Roboter des FLEXMINs zu erreichen. Eine Kommunikation wird zwischen den beiden Teilsystemen Rechter und Linker Manipulator ermöglicht. Durch die UDP-Übertragung können bis zu 8188 „double“ Type Daten pro Simulationsschritt zwischen zwei Teilsystemen transportiert werden. Die Verzögerung dieser Übertragung beträgt zwei Simulationsschritte von 0, 0005 s. Es wird recherchiert, wie andere Robotersysteme, insbesondere Chirurgierobotik, mit einer Kollisionsgefahr umgehen und welche Lösungsansätze sie verfolgen. Neun repräsentative Systeme werden nicht nur im Detail vorgestellt, sondern auch in Kompaktform einer Übersichtstabelle dargestellt. Durch Erstellen eines geometrischen Modells des Manipulators wird der minimale Abstand zwischen den Manipulatoren berechnet um zu bestimmen, ob eine Kollision aufgetreten ist. Dieser Abstand wird auch anhand des tatsächlichen minimalen Abstands experimentell überprüft und bewertet. Der Zentralwert aller 50 Abweichungen beträgt 0, 07mm. Zwei Funktionen werden für FLEXMIN zum Umgang mit Kollisionen festgelegt, die Schutzfunktion und Frühwarnfunktion. Wenn eine Kollision auftritt, wird die Verbindung zwischen dem Steuerungssystem und den Manipulatoren getrennt, somit wird das System geschützt. Die Frühwarnfunktion bietet dem Nutzer eine Gegenkraft vor der Kollision mittels haptischen Feedbacks. Eine variable Einstellung des Betrags der Gegenkraft ist auch möglich. Somit kann der Nutzer eine Kollision aktiv vermeiden. Die beiden Funktionen werden ebenfalls durch Probandenversuche überprüft und bewertet. Durch die Schutzfunktion können alle Kollisionen in Versuchen erkannt und das System rechtzeitig ausgeschaltet werden. Durch das Einschalten der Frühwarnfunktion kann die Anzahl der Kollisionen um mehr als 51,4% reduziert werden im Vergleich zu den Versuchen, die keine Frühwarnfunktion zugeschaltet hatten. Mit dem realisierten Algorithmus werden Empfehlungen für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten der Kollisionsvermeidung gegeben.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Li, Mengguang
Title: Kollisionsvermeidung für einen Single Port Chirurgie Roboter mit zwei Manipulatoren
Language: German
Abstract:

Das FLEXMIN Projekt, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), zielt auf die Erweiterung der Flexibilität der minimal-invasiven Instrumente für Weichgewebe Interventionen. Ein Manipulator des FLEXMINs kann einen zylindrischen Arbeitsbereich mit einem Durchmesser von 60mm und einer Länge von 80mm erreichen. Das TCP kann Kräfte von bis zu 5N aufnehmen und Geschwindigkeiten von bis zu 327mm=s erreichen. Vor dieser Arbeit wurde noch keine Methode für die Kollisionsvermeidung zweier Manipulatoren eingesetzt. Bei allen bisherigen Probandenversuchen mit zwei Manipulatoren mussten alle Probanden gebeten werden, auf eine Überkreuzung der Manipulationsarme möglichst zu verzichten, um Kollisionen der Manipulatoren und damit eine Beschädigung zu vermeiden. Gegenstand der vorliegenden Masterarbeit ist daher ein Konzept zu entwickeln und umsetzten, um eine Kollisionsvermeidung für den Single-Port-Roboter des FLEXMINs zu erreichen. Eine Kommunikation wird zwischen den beiden Teilsystemen Rechter und Linker Manipulator ermöglicht. Durch die UDP-Übertragung können bis zu 8188 „double“ Type Daten pro Simulationsschritt zwischen zwei Teilsystemen transportiert werden. Die Verzögerung dieser Übertragung beträgt zwei Simulationsschritte von 0, 0005 s. Es wird recherchiert, wie andere Robotersysteme, insbesondere Chirurgierobotik, mit einer Kollisionsgefahr umgehen und welche Lösungsansätze sie verfolgen. Neun repräsentative Systeme werden nicht nur im Detail vorgestellt, sondern auch in Kompaktform einer Übersichtstabelle dargestellt. Durch Erstellen eines geometrischen Modells des Manipulators wird der minimale Abstand zwischen den Manipulatoren berechnet um zu bestimmen, ob eine Kollision aufgetreten ist. Dieser Abstand wird auch anhand des tatsächlichen minimalen Abstands experimentell überprüft und bewertet. Der Zentralwert aller 50 Abweichungen beträgt 0, 07mm. Zwei Funktionen werden für FLEXMIN zum Umgang mit Kollisionen festgelegt, die Schutzfunktion und Frühwarnfunktion. Wenn eine Kollision auftritt, wird die Verbindung zwischen dem Steuerungssystem und den Manipulatoren getrennt, somit wird das System geschützt. Die Frühwarnfunktion bietet dem Nutzer eine Gegenkraft vor der Kollision mittels haptischen Feedbacks. Eine variable Einstellung des Betrags der Gegenkraft ist auch möglich. Somit kann der Nutzer eine Kollision aktiv vermeiden. Die beiden Funktionen werden ebenfalls durch Probandenversuche überprüft und bewertet. Durch die Schutzfunktion können alle Kollisionen in Versuchen erkannt und das System rechtzeitig ausgeschaltet werden. Durch das Einschalten der Frühwarnfunktion kann die Anzahl der Kollisionen um mehr als 51,4% reduziert werden im Vergleich zu den Versuchen, die keine Frühwarnfunktion zugeschaltet hatten. Mit dem realisierten Algorithmus werden Empfehlungen für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten der Kollisionsvermeidung gegeben.

Uncontrolled Keywords: Medizintechnik, Medizinrobotik, Haptisches-Feedback
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 26 Mar 2019 07:11
Referees: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich and Bilz, Johannes
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