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Funktionsmuster eines haptischen Bedienelements für INKOMAN

Kassner, Sebastian (2007):
Funktionsmuster eines haptischen Bedienelements für INKOMAN.
Technische Universität Darmstadt, [Diploma Thesis or Magisterarbeit]

Abstract

Zusammenfassung:

Diese Diplomarbeit beschreibt die Entwicklung eines Bedienelementes zur Steuerung eines Operationswerkzeuges mit haptischer Rückmeldung für die minimalinvasive Leber-Chirurgie. Die Entwicklung des Bedienkonzeptes erfolgt nach der Analyse ergonomischer Anforderungen, angepasst an den Arbeitsablauf der laparoskopischen Operation: Der Chirurg steuert eine intrakorporale Kinematik. Dazu hält er das Bedienelement mit einem Pistolengriff. Mit dem Daumen steuert er einen Joystick in drei kartesischen Freiheitsgraden und positioniert so den Endeffektor des Instrumentes im Operationsfeld. Der Joystick stellt gleichzeitig die an der Spitze des Instrumentes gemessenen Kräfte in drei Raumrichtungen bis 5 N dar.

Kräfte werden in Abhängigkeit von ihrer Frequenz wahrgenommenen. Daher werden in einem Versuch am haptischen Leberphantom die bei der Operation auftretenden Kräfte gemessen und im Frequenzbereich mit einer Wahrnehmungsfunktion gewichtet. Ergebnis des Versuchs ist, dass aus rein physiologischer Sicht Kräfte bis in einen Bereich von f = 1...2 kHz haptisch darzustellen sind.

Um den Krafteindruck dynamisch an den Nutzer zu übertragen, ist der Joystick als parallelkinematischer Tripod realisiert. Die antreibenden Aktoren sind am Griff befestigt, so dass ihre Masse nicht beschleunigt werden muss. Eine Ausrichtung bestimmter Gelenkachsen erzeugt einen Mechanismus, für den - im Gegensatz zu allgemeinen Parallelkinematiken - das Übertragungsverhalten in geschlossener Form gelöst werden kann. Das Weg- und Kraftübertragungsverhalten des Tripods wird in dieser Arbeit hergeleitet. Der Tripod besitzt einen zylindrischen Arbeitsaum von 30 mm Höhe und einem Durchmesser von 50 mm.

Als Aktoren kommen elektronisch kommutierte DC-Antriebe zum Einsatz, um haptisch wahrnehmbare Effekte durch eine mechanische Kommutierung zu verhindern. Zur Kommutierung wird eine Schaltung entwickelt und in Betrieb genommen, die eine spannungsgesteuerte Stromquelle realisiert. Bei einer Eingangsspannung von ±1 V sind lastunabhängige Ströme bis ±10 A möglich. Das Ergebnis ist die Erzeugung eines haptischen Feedbacks proportional einer Steuerspannung. In die Motoren integrierte Hall-Sensoren dienen zur Positionserfassung. Die Steuerung des Systems über die hergeleiteten Übertragungsfunktionen erfolgt unter LabView mit einen Steuerrechner.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 2007
Creators: Kassner, Sebastian
Title: Funktionsmuster eines haptischen Bedienelements für INKOMAN
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

Diese Diplomarbeit beschreibt die Entwicklung eines Bedienelementes zur Steuerung eines Operationswerkzeuges mit haptischer Rückmeldung für die minimalinvasive Leber-Chirurgie. Die Entwicklung des Bedienkonzeptes erfolgt nach der Analyse ergonomischer Anforderungen, angepasst an den Arbeitsablauf der laparoskopischen Operation: Der Chirurg steuert eine intrakorporale Kinematik. Dazu hält er das Bedienelement mit einem Pistolengriff. Mit dem Daumen steuert er einen Joystick in drei kartesischen Freiheitsgraden und positioniert so den Endeffektor des Instrumentes im Operationsfeld. Der Joystick stellt gleichzeitig die an der Spitze des Instrumentes gemessenen Kräfte in drei Raumrichtungen bis 5 N dar.

Kräfte werden in Abhängigkeit von ihrer Frequenz wahrgenommenen. Daher werden in einem Versuch am haptischen Leberphantom die bei der Operation auftretenden Kräfte gemessen und im Frequenzbereich mit einer Wahrnehmungsfunktion gewichtet. Ergebnis des Versuchs ist, dass aus rein physiologischer Sicht Kräfte bis in einen Bereich von f = 1...2 kHz haptisch darzustellen sind.

Um den Krafteindruck dynamisch an den Nutzer zu übertragen, ist der Joystick als parallelkinematischer Tripod realisiert. Die antreibenden Aktoren sind am Griff befestigt, so dass ihre Masse nicht beschleunigt werden muss. Eine Ausrichtung bestimmter Gelenkachsen erzeugt einen Mechanismus, für den - im Gegensatz zu allgemeinen Parallelkinematiken - das Übertragungsverhalten in geschlossener Form gelöst werden kann. Das Weg- und Kraftübertragungsverhalten des Tripods wird in dieser Arbeit hergeleitet. Der Tripod besitzt einen zylindrischen Arbeitsaum von 30 mm Höhe und einem Durchmesser von 50 mm.

Als Aktoren kommen elektronisch kommutierte DC-Antriebe zum Einsatz, um haptisch wahrnehmbare Effekte durch eine mechanische Kommutierung zu verhindern. Zur Kommutierung wird eine Schaltung entwickelt und in Betrieb genommen, die eine spannungsgesteuerte Stromquelle realisiert. Bei einer Eingangsspannung von ±1 V sind lastunabhängige Ströme bis ±10 A möglich. Das Ergebnis ist die Erzeugung eines haptischen Feedbacks proportional einer Steuerspannung. In die Motoren integrierte Hall-Sensoren dienen zur Positionserfassung. Die Steuerung des Systems über die hergeleiteten Übertragungsfunktionen erfolgt unter LabView mit einen Steuerrechner.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Ergonomie, Force Feedback, Force impression FIP, Haptisches Display, Kinematische Struktur parallel, Stromquelle spannungsgesteuert, Tripod
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: 31 Aug 2011 10:20
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1642

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 14-12-2006

Ende Datum: 29-06-2007

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKD 1642
Referees: Röse, Dipl.-Ing. Andreas and Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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