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Kraftregelung für ein haptisches Display eines VR-Arthroskopiesimulators

Buß, Winfried (1996):
Kraftregelung für ein haptisches Display eines VR-Arthroskopiesimulators.
Technische Universität Darmstadt, [Seminar paper (Midterm)]

Abstract

Zusammenfassung:

Diese Studienarbeit ist eine von mehreren Arbeiten, die sich mit der Entwicklung eines auf Techniken der virtuellen Realität basierenden Kniegelenkarthroskopiesimulators in Zusammenarbeit mit dem Frauenhofer-Institut für graphische Datenverarbeitung befassen. In der DA 1231 wurde hierzu eine Mechanik zur Kraftrückmeldung (haptisches Display) aufgebaut. Das haptische Display hat die Aufgabe, Kräfte und Momente, wie sie bei der Operation auftreten, als Gegenkräfte an den übenden Chirurgen weiterzuleiten.

Schwerpunkt dieser Studienarbeit ist es, das Display mit einer Kraftregelung auszurüsten, die einen Kraftsollwert schnell und ohne bleibende Abweichungen einregeln kann. Dies wurde an einem der 4 Freiheitsgrade des Displays durchgeführt. Um den Reglertyp auszuwählen wurde ein regelungstechnisches Modell des Displays gebildet.

Unter Simulink wurde dann der ausgewählte Regler bezüglich seiner Stabilität getestet. Der so gefundene Reglertyp wurde anschließend auf einem PC zusammen mit der Signalfilterung implementiert. Um den Regler optimal an die Strecke anzupassen, wurde eine anschließende Parameteroptimierung des Reglers im geschlossenen Regelkreises durchgeführt.

Der Griff des Displays muß zu Beginn der Simulation in eine definierte Ausgangsposition gefahren werden. Dafür wurde ein Positionsregler entwickelt. Auch er wurde unter Simulink simuliert.

1. Kraftregler

* Regelkreis: Eingrößenregelkreis

* Reglertyp: PI-Regler

* Parameter: K=0.26, Ti=0.033

* Dynamik: Subjektiv gute Ausregelung, objektiv gute Ausregelung der Rampenfunktion; 0-100Ncm mit 1.4Ncm mittlerer Regeldifferenz;

* Sonstiges: geringe fühlbare Schwingungen

2. Positionsregler

* Regelkreis: Kaskadenregelkreis mit Positions- und Drehzahlrückführung

* Reglertyp: Drehzahl: PI-Regler; Position: P-Regler

* Parameter:

- Drehzahlregler: K=10, Ti=2,

- Positionsregler: K=5

- Dynamik: Eine sprungförmige Änderung des Sollwertes von 0° auf 70° wird in 0.5s eingeregelt.

* Sonstiges: keine Parameteroptimierung

Um den Kraftregelkreis schließen zu können, mußte eine Positionserfassung sowie eine Kraftmessung an das Display angebracht werden. Zur Kraftmessung wurde ein DMS, zur Positionsmessung ein Potentiometer benutzt. Bei der Positionsmessung sorgt eine Schutzschaltung für das Abschalten des Motors bei Überschreiten der Grenzwinkel, um eine Beschädigung des haptischen Displays zu verhindern. Die Positions- und Kraftdaten werden tiefpaßgefiltert und über eine AD-Karte der Regelungssoftware zugeführt. Die einzuregelnden Sollwerte werden vom Graphikrechner, auf dem die Simulationssoftware läuft, an den PC weitergegeben. Die Kommunikation mit dem Graphikrechner wurde nicht implementiert, es wurde aber dazu ein Konzept erarbeitet. Der Regler errechnet aus den Istwerten und den Sollwerten eine Stellgröße, die über eine DA-Karte sowie einen Leistungsverstärker der Displaymechanik zugeführt wird. Im Motor wird die Stellgröße in ein Drehmoment gewandelt, über ein Getriebe verstärkt und über Seilzüge als Gegenkraft an den übenden Chirurgen weitergegeben.

Item Type: Seminar paper (Midterm)
Erschienen: 1996
Creators: Buß, Winfried
Title: Kraftregelung für ein haptisches Display eines VR-Arthroskopiesimulators
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

Diese Studienarbeit ist eine von mehreren Arbeiten, die sich mit der Entwicklung eines auf Techniken der virtuellen Realität basierenden Kniegelenkarthroskopiesimulators in Zusammenarbeit mit dem Frauenhofer-Institut für graphische Datenverarbeitung befassen. In der DA 1231 wurde hierzu eine Mechanik zur Kraftrückmeldung (haptisches Display) aufgebaut. Das haptische Display hat die Aufgabe, Kräfte und Momente, wie sie bei der Operation auftreten, als Gegenkräfte an den übenden Chirurgen weiterzuleiten.

Schwerpunkt dieser Studienarbeit ist es, das Display mit einer Kraftregelung auszurüsten, die einen Kraftsollwert schnell und ohne bleibende Abweichungen einregeln kann. Dies wurde an einem der 4 Freiheitsgrade des Displays durchgeführt. Um den Reglertyp auszuwählen wurde ein regelungstechnisches Modell des Displays gebildet.

Unter Simulink wurde dann der ausgewählte Regler bezüglich seiner Stabilität getestet. Der so gefundene Reglertyp wurde anschließend auf einem PC zusammen mit der Signalfilterung implementiert. Um den Regler optimal an die Strecke anzupassen, wurde eine anschließende Parameteroptimierung des Reglers im geschlossenen Regelkreises durchgeführt.

Der Griff des Displays muß zu Beginn der Simulation in eine definierte Ausgangsposition gefahren werden. Dafür wurde ein Positionsregler entwickelt. Auch er wurde unter Simulink simuliert.

1. Kraftregler

* Regelkreis: Eingrößenregelkreis

* Reglertyp: PI-Regler

* Parameter: K=0.26, Ti=0.033

* Dynamik: Subjektiv gute Ausregelung, objektiv gute Ausregelung der Rampenfunktion; 0-100Ncm mit 1.4Ncm mittlerer Regeldifferenz;

* Sonstiges: geringe fühlbare Schwingungen

2. Positionsregler

* Regelkreis: Kaskadenregelkreis mit Positions- und Drehzahlrückführung

* Reglertyp: Drehzahl: PI-Regler; Position: P-Regler

* Parameter:

- Drehzahlregler: K=10, Ti=2,

- Positionsregler: K=5

- Dynamik: Eine sprungförmige Änderung des Sollwertes von 0° auf 70° wird in 0.5s eingeregelt.

* Sonstiges: keine Parameteroptimierung

Um den Kraftregelkreis schließen zu können, mußte eine Positionserfassung sowie eine Kraftmessung an das Display angebracht werden. Zur Kraftmessung wurde ein DMS, zur Positionsmessung ein Potentiometer benutzt. Bei der Positionsmessung sorgt eine Schutzschaltung für das Abschalten des Motors bei Überschreiten der Grenzwinkel, um eine Beschädigung des haptischen Displays zu verhindern. Die Positions- und Kraftdaten werden tiefpaßgefiltert und über eine AD-Karte der Regelungssoftware zugeführt. Die einzuregelnden Sollwerte werden vom Graphikrechner, auf dem die Simulationssoftware läuft, an den PC weitergegeben. Die Kommunikation mit dem Graphikrechner wurde nicht implementiert, es wurde aber dazu ein Konzept erarbeitet. Der Regler errechnet aus den Istwerten und den Sollwerten eine Stellgröße, die über eine DA-Karte sowie einen Leistungsverstärker der Displaymechanik zugeführt wird. Im Motor wird die Stellgröße in ein Drehmoment gewandelt, über ein Getriebe verstärkt und über Seilzüge als Gegenkraft an den übenden Chirurgen weitergegeben.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Haptik, Kraftregelung, Kraftrückmeldung, Simulationsprogramm SIMULINK
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
Date Deposited: 15 Sep 2011 14:19
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1301

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 30-10-1995

Ende Datum: 29-04-1996

Querverweis: 17/24 EMKD 1231

Studiengang: Elektrotechnik (ET)

Vertiefungsrichtung: Elektromechanische Konstruktionen (Dipl.)

Abschluss: Diplom (EMK)

Identification Number: 17/24 EMKS 1301
Referees: Kunstmann, Dipl.-Ing. Christian and Weißmantel, Prof. Dr.- Heinz
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