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Haptisches Bedienelement zur Steuerung eines Greifers in der minimalinvasiven Chirurgie

Fischer, Minyeong Josef (2011):
Haptisches Bedienelement zur Steuerung eines Greifers in der minimalinvasiven Chirurgie.
Technische Universität Darmstadt, [Bachelor Thesis]

Abstract

Zusammenfassung:

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der TU Darmstadt wird ein intrakorporaler Manipulator (INKOMAN) für die Laparoskopie entwickelt. Mit dem Instrument sollen chirurgische Handlungen wie Greifen und Schneiden von Lebergewebe ermöglicht werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein haptisches Bedienelement zur Steuerung einer Greiferspitze entwickelt und aufgebaut. Anhand der beim Greifen auftretenden Kräfte erhält der Benutzer ein haptisches Feedback. Weiterhin wird die aktuelle Stellung des Bedienelements erfasst und am Computer grafisch dargestellt.

Die Geometrie der Bediengriffe orientiert sich an üblichen laparoskopischen Instrumenten. Der maximale Öffnungswinkel der Griffe beträgt 60°. In einer Literaturrecherche werden die beim laparoskopischen Greifen und Schneiden auftretenden Kräfte untersucht. Für das Greifen von Gewebe ist eine Kraft von 6,8 N erforderlich. Ein Gesamtgewicht von 200g soll eingehalten werden.

Aus einem Vergleich verschiedener Aktorprinzipien wird das elektrodynamische Prinzip ausgewählt. Das Antriebssystem ist mit einem Faulhaber 2232 BX4 IE3 DC-Motor und einem Seilzuggetriebe realisiert. Mit dem Seilzuggetriebe ist eine spiel- und reibungsarme Momentenübertragung möglich.

Um das Gewicht gering zu halten, sind die beiden Bediengriffe aus Polyamid mit einem Rapid Prototyping Verfahren (Selektives Lasersintern) gefertigt. Ein Bediengriff ist an das bestehende Bedienelement von INKOMAN geschraubt und somit unbeweglich. Der andere Griff lässt sich um eine Rotationsachse bewegen. An den unteren Enden der Bediengriffe sind zwei kreisbogenförmige Schienen aus Aluminium befestigt. Die Schiene am unbeweglichen Griff hält den Motor. Um ein haptisches Feedback zu erzeugen, wird das Drehmoment des Motors mittels eines Seilzugs mit einem Übersetzungsverhältnis von 27:1 auf die Schiene am beweglichen Griff übertragen.

Zur Winkelmessung kommt ein im Motor integrierter Inkrementalencoder zum Einsatz. Die Steuerung des Motors erfolgt über die Software Labview auf einem CompactRIO-System. Die Steuersoftware erfasst den Winkel und visualiert die aktuelle Greiferstellung. Zur Simulierung der am Gewebe auftretenden Kräfte kommt ein Gewebemodell auf Basis eines mechanischen Netzwerks zum Einsatz. Ein Faulhaber MCBL 3006 Motion Controller versorgt den Motor als spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer PWM. Durch eine Begrenzung des Stroms kann das Drehmoment des Motors gesteuert werden. Das Bedienelement gibt eine maximale Kraft von 9,4N bidirektional aus.

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2011
Creators: Fischer, Minyeong Josef
Title: Haptisches Bedienelement zur Steuerung eines Greifers in der minimalinvasiven Chirurgie
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der TU Darmstadt wird ein intrakorporaler Manipulator (INKOMAN) für die Laparoskopie entwickelt. Mit dem Instrument sollen chirurgische Handlungen wie Greifen und Schneiden von Lebergewebe ermöglicht werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein haptisches Bedienelement zur Steuerung einer Greiferspitze entwickelt und aufgebaut. Anhand der beim Greifen auftretenden Kräfte erhält der Benutzer ein haptisches Feedback. Weiterhin wird die aktuelle Stellung des Bedienelements erfasst und am Computer grafisch dargestellt.

Die Geometrie der Bediengriffe orientiert sich an üblichen laparoskopischen Instrumenten. Der maximale Öffnungswinkel der Griffe beträgt 60°. In einer Literaturrecherche werden die beim laparoskopischen Greifen und Schneiden auftretenden Kräfte untersucht. Für das Greifen von Gewebe ist eine Kraft von 6,8 N erforderlich. Ein Gesamtgewicht von 200g soll eingehalten werden.

Aus einem Vergleich verschiedener Aktorprinzipien wird das elektrodynamische Prinzip ausgewählt. Das Antriebssystem ist mit einem Faulhaber 2232 BX4 IE3 DC-Motor und einem Seilzuggetriebe realisiert. Mit dem Seilzuggetriebe ist eine spiel- und reibungsarme Momentenübertragung möglich.

Um das Gewicht gering zu halten, sind die beiden Bediengriffe aus Polyamid mit einem Rapid Prototyping Verfahren (Selektives Lasersintern) gefertigt. Ein Bediengriff ist an das bestehende Bedienelement von INKOMAN geschraubt und somit unbeweglich. Der andere Griff lässt sich um eine Rotationsachse bewegen. An den unteren Enden der Bediengriffe sind zwei kreisbogenförmige Schienen aus Aluminium befestigt. Die Schiene am unbeweglichen Griff hält den Motor. Um ein haptisches Feedback zu erzeugen, wird das Drehmoment des Motors mittels eines Seilzugs mit einem Übersetzungsverhältnis von 27:1 auf die Schiene am beweglichen Griff übertragen.

Zur Winkelmessung kommt ein im Motor integrierter Inkrementalencoder zum Einsatz. Die Steuerung des Motors erfolgt über die Software Labview auf einem CompactRIO-System. Die Steuersoftware erfasst den Winkel und visualiert die aktuelle Greiferstellung. Zur Simulierung der am Gewebe auftretenden Kräfte kommt ein Gewebemodell auf Basis eines mechanischen Netzwerks zum Einsatz. Ein Faulhaber MCBL 3006 Motion Controller versorgt den Motor als spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer PWM. Durch eine Begrenzung des Stroms kann das Drehmoment des Motors gesteuert werden. Das Bedienelement gibt eine maximale Kraft von 9,4N bidirektional aus.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Force Feedback, Haptisches Display, Kraftübertragung mit Seile, Manipulator intrakorporal (INKOMAN)
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 > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 31 Aug 2011 10:24
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKB 1761

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 08-11-2010

Ende Datum: 08-04-2011

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Bachelor of Science (BSc.)

Identification Number: 17/24 EMKB 1761
Referees: Kassner, Dipl.-Ing. Sebastian and Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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