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Integration einer 3-DOF Kraftsensorik in ein haptisches Telemanipulationssystem für die Laparaskopie

Riedel, Mirjam :
Integration einer 3-DOF Kraftsensorik in ein haptisches Telemanipulationssystem für die Laparaskopie.
Institut EMK / FG MuST
[Bachelorarbeit], (2011)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das Chirurgiesystem INKOMAN dient zur Unterstützung des Chirurgen bei Eingriffen in der Laparoskopie. Unter Anderem sollen Kontaktkräfte an der Spitze des chirurgischen Werkzeugs detektiert werden, um diese über die Generierung eines haptischens Feedbacks rückmelden zu können. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Auslegung und Integration des dazu benötigten 3-DOF Kraftsensors (Degrees Of Freedom) in INKOMAN. Der Kraftsensor soll an die Stelle der bestehenden Instrumentenplattform treten. Das Messprinzip ist durch die zu verwendenden resistiven Dehnungsmesselemente vorgegeben, sodass sich der Kraftsensor aus drei Hauptkomponenten zusammensetzt: 1. Verformungskörper 2. Platine 3. Instrumentenplattform Der Verformungskörper überträgt die am Werkzeug angreifende Kraft auf die Messelemente, sodass seine Auslegung maßgeblich für das Übertragungsverhalten des Kraftsensors sind. Als Material des Verformungskörpers ist der Edelstahl 17-4 PH aufgrund seiner hohen Streckgrenze von 1000 MPa vorgegeben. Bei Konzeption sind die für eine messbare Widerstandsänderung benötigte Mindestdehnung von 10E-5 und die maximal zulässige relative Widerstandsänderung von 4 % berücksichtigt worden. Als Nennlast sind Kräfte bis zu 10 N in allen drei Raumrichtungen erlaubt. Zusätzlich zum dreidimensionalen Kraftvektor ist die Messung eines Moments möglich. Das Design der Platine ist für eine Kontaktierung der Messelemente mittels Drahtbonden ausgelegt. Um den Verformungskörper nicht einzuschränken, wird die Platine als Flexleiter mit einem niedrigen Elastizitätsmodul von 700 MPa realisiert. Messelemente und Platine werden innerhalb eines Fertigungsschritts durch Verwendung des Klebers EPO-TEK 353ND auf dem Verformungskörper appliziert. Trotz der Verwendung von unbeschichteten Kupferleiterbahnen, ist die Kontaktierung zwischen Platine und Messelementen problemlos durchgeführt worden. Die Instrumentenplattform bildet die mechanische Schnittstelle zwischen Kraftsensor und INKOMAN. Diese ist durch die Abmessungen des Chirurgiesystems vorgegeben und ist lediglich in ihrer Höhe erweitert und ausgehöhlt worden, um Bauraum für den Sensor zu schaffen. Der realisierte Kraftsensor besitzt einen Durchmesser von 11 mm und eine Höhe von 12,5 mm. Mittig befindet sich ein Arbeitskanal mit einem Durchmesser von 3 mm. Durch diesen führen Mikrokabel, welche mit der Platine im Innern des Sensors kontaktiert sind und ein Auslesen der Messelemente ermöglichen. Die Kalibrierung des Kraftsensors zeigt, dass der entwickelte Sensor geeignet ist, Kraftvektoren im angegebenen Nennbereich zu messen. Weitere Messungen sind nötig, um das Übertragungsverhalten des Kraftsensors genauer zu charakterisieren.

Typ des Eintrags: Bachelorarbeit
Erschienen: 2011
Autor(en): Riedel, Mirjam
Titel: Integration einer 3-DOF Kraftsensorik in ein haptisches Telemanipulationssystem für die Laparaskopie
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Das Chirurgiesystem INKOMAN dient zur Unterstützung des Chirurgen bei Eingriffen in der Laparoskopie. Unter Anderem sollen Kontaktkräfte an der Spitze des chirurgischen Werkzeugs detektiert werden, um diese über die Generierung eines haptischens Feedbacks rückmelden zu können. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Auslegung und Integration des dazu benötigten 3-DOF Kraftsensors (Degrees Of Freedom) in INKOMAN. Der Kraftsensor soll an die Stelle der bestehenden Instrumentenplattform treten. Das Messprinzip ist durch die zu verwendenden resistiven Dehnungsmesselemente vorgegeben, sodass sich der Kraftsensor aus drei Hauptkomponenten zusammensetzt: 1. Verformungskörper 2. Platine 3. Instrumentenplattform Der Verformungskörper überträgt die am Werkzeug angreifende Kraft auf die Messelemente, sodass seine Auslegung maßgeblich für das Übertragungsverhalten des Kraftsensors sind. Als Material des Verformungskörpers ist der Edelstahl 17-4 PH aufgrund seiner hohen Streckgrenze von 1000 MPa vorgegeben. Bei Konzeption sind die für eine messbare Widerstandsänderung benötigte Mindestdehnung von 10E-5 und die maximal zulässige relative Widerstandsänderung von 4 % berücksichtigt worden. Als Nennlast sind Kräfte bis zu 10 N in allen drei Raumrichtungen erlaubt. Zusätzlich zum dreidimensionalen Kraftvektor ist die Messung eines Moments möglich. Das Design der Platine ist für eine Kontaktierung der Messelemente mittels Drahtbonden ausgelegt. Um den Verformungskörper nicht einzuschränken, wird die Platine als Flexleiter mit einem niedrigen Elastizitätsmodul von 700 MPa realisiert. Messelemente und Platine werden innerhalb eines Fertigungsschritts durch Verwendung des Klebers EPO-TEK 353ND auf dem Verformungskörper appliziert. Trotz der Verwendung von unbeschichteten Kupferleiterbahnen, ist die Kontaktierung zwischen Platine und Messelementen problemlos durchgeführt worden. Die Instrumentenplattform bildet die mechanische Schnittstelle zwischen Kraftsensor und INKOMAN. Diese ist durch die Abmessungen des Chirurgiesystems vorgegeben und ist lediglich in ihrer Höhe erweitert und ausgehöhlt worden, um Bauraum für den Sensor zu schaffen. Der realisierte Kraftsensor besitzt einen Durchmesser von 11 mm und eine Höhe von 12,5 mm. Mittig befindet sich ein Arbeitskanal mit einem Durchmesser von 3 mm. Durch diesen führen Mikrokabel, welche mit der Platine im Innern des Sensors kontaktiert sind und ein Auslesen der Messelemente ermöglichen. Die Kalibrierung des Kraftsensors zeigt, dass der entwickelte Sensor geeignet ist, Kraftvektoren im angegebenen Nennbereich zu messen. Weitere Messungen sind nötig, um das Übertragungsverhalten des Kraftsensors genauer zu charakterisieren.

Freie Schlagworte: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 09 Jan 2012 13:42
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB1780

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 14-06-2011

Ende Datum: 14-11-2011

Querverweis: keine

ID-Nummer: 17/24 EMKB1780
Gutachter / Prüfer: Werthschützky, Prof. Dr. Roland
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