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Entwurf und Aufbau eines elektromechanischen Greifers für die laparoskopische Chirurgie

Krenzer, Johannes :
Entwurf und Aufbau eines elektromechanischen Greifers für die laparoskopische Chirurgie.
TU Darmstadt, Institut EMK, FG M+EMS
[Bachelorarbeit], (2013)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Zusammenhang mit der Forschung an haptischen Telemanipulatoren am Institut EMK wird ein handgehaltenes laparoskopisches Greifinstrument für die minimalinvasive Chirurgie entwickelt. Dieses kann die Interaktionskräfte zwischen Gewebe und Greifer messen und dem Benutzer ein haptisches Feedback zurückgeben. Das gesamte Projekt besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde bereits das haptische Benutzerinterface entwickelt. Der zweite Teil des Projekts ist Inhalt der hier vorgestellten Bachelorarbeit und befasst sich mit der Entwicklung und dem feinwerktechnischen Aufbau einer Antriebseinheit, die für das Öffnen und Schließen des Greifers sorgt. Über eine Positionsregelung wird der gewünschte Öffnungswinkel an der Greiferspitze eingestellt. Der Greifer wird hierbei nicht verändert und entstammt einer kommerziell erhältlichen Fasszange. Dieser ist nach dem Kniehebelprinzip aufgebaut und wird über die translatorische Bewegung der Zugstange geöffnet und geschlossen. Ziel ist es, die Zugstange durch eine positionsgeregelte Linearachse so zu bewegen, dass sich am Greifer der gewünschte Öffnungswinkel einstellt. Das Gesamtsystem darf maximal 100 g wiegen und muss, bezogen auf die Linearbewegung, eine Kraft von 15 N bei einer Maximalgeschwindigkeit von 22 mm/s erzeugen, um die Anforderungen zu erfüllen. Außerdem muss die Linearachse auf 18 Mikrometer genau positionierbar sein. Anhand dieser Anforderungen wurde eine Aktor-Getriebe-Kombination ausgewählt. Diese besteht aus dem Gleichstrommotor 1741-024CXR der Firma Faulhaber mit Encoder (IE2-1024, Faulhaber) und einem Gewindetrieb mit 4 mm Durchmesser und einer Spindelsteigung von 1 mm von der Firma Steinmeyer FMS. Die entwickelte Linearachse kann alle Anforderungen, außer die des Gewichts, erfüllen. Sie besitzt ein Gewicht von 120 Gramm und ist somit 20 Gramm schwerer als in den Anforderungen festgelegt. Die Endstufe MCDC 3002, ebenfalls von Faulhaber, übernimmt die Aufgabe der Positionsregelung. Mithilfe eines Labviewprogramms wird der gewünschte Öffnungswinkel eingestellt und auf die translatorische Bewegung der Zugstange umgerechnet. Dieser Wert wird mittels einer seriellen Schnittstelle (RS232) an die Endstufe übertragen und dient als Sollwertvorgabe für die Regelung im Verstärker. In einem weiteren Schritt soll dem System der gewünschte Öffnungswinkel über eine digitale Schnittstelle vorgegeben werden, dieses Signal stammt vom haptischen Bedienelement. Zur Messung der intrakorporal wirkenden Greifkräfte wurde ein erster Sensor ausgewählt. Der Membrankraftsensor F2220 von der Firma Tecsis arbeitet mit DMS und kann im Kraftfluss eingesetzt werden. Die Messdaten müssen mittels Labview ausgewertet und dem Benutzerinterface übergeben werden, um das haptische Feedback zu erzeugen. Die Installation und Auswertung des Sensors ist jedoch nicht Teil dieser Arbeit. Für erste Kraftmessungen kann der Motorstrom verwendet werden.

Typ des Eintrags: Bachelorarbeit
Erschienen: 2013
Autor(en): Krenzer, Johannes
Titel: Entwurf und Aufbau eines elektromechanischen Greifers für die laparoskopische Chirurgie
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Im Zusammenhang mit der Forschung an haptischen Telemanipulatoren am Institut EMK wird ein handgehaltenes laparoskopisches Greifinstrument für die minimalinvasive Chirurgie entwickelt. Dieses kann die Interaktionskräfte zwischen Gewebe und Greifer messen und dem Benutzer ein haptisches Feedback zurückgeben. Das gesamte Projekt besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde bereits das haptische Benutzerinterface entwickelt. Der zweite Teil des Projekts ist Inhalt der hier vorgestellten Bachelorarbeit und befasst sich mit der Entwicklung und dem feinwerktechnischen Aufbau einer Antriebseinheit, die für das Öffnen und Schließen des Greifers sorgt. Über eine Positionsregelung wird der gewünschte Öffnungswinkel an der Greiferspitze eingestellt. Der Greifer wird hierbei nicht verändert und entstammt einer kommerziell erhältlichen Fasszange. Dieser ist nach dem Kniehebelprinzip aufgebaut und wird über die translatorische Bewegung der Zugstange geöffnet und geschlossen. Ziel ist es, die Zugstange durch eine positionsgeregelte Linearachse so zu bewegen, dass sich am Greifer der gewünschte Öffnungswinkel einstellt. Das Gesamtsystem darf maximal 100 g wiegen und muss, bezogen auf die Linearbewegung, eine Kraft von 15 N bei einer Maximalgeschwindigkeit von 22 mm/s erzeugen, um die Anforderungen zu erfüllen. Außerdem muss die Linearachse auf 18 Mikrometer genau positionierbar sein. Anhand dieser Anforderungen wurde eine Aktor-Getriebe-Kombination ausgewählt. Diese besteht aus dem Gleichstrommotor 1741-024CXR der Firma Faulhaber mit Encoder (IE2-1024, Faulhaber) und einem Gewindetrieb mit 4 mm Durchmesser und einer Spindelsteigung von 1 mm von der Firma Steinmeyer FMS. Die entwickelte Linearachse kann alle Anforderungen, außer die des Gewichts, erfüllen. Sie besitzt ein Gewicht von 120 Gramm und ist somit 20 Gramm schwerer als in den Anforderungen festgelegt. Die Endstufe MCDC 3002, ebenfalls von Faulhaber, übernimmt die Aufgabe der Positionsregelung. Mithilfe eines Labviewprogramms wird der gewünschte Öffnungswinkel eingestellt und auf die translatorische Bewegung der Zugstange umgerechnet. Dieser Wert wird mittels einer seriellen Schnittstelle (RS232) an die Endstufe übertragen und dient als Sollwertvorgabe für die Regelung im Verstärker. In einem weiteren Schritt soll dem System der gewünschte Öffnungswinkel über eine digitale Schnittstelle vorgegeben werden, dieses Signal stammt vom haptischen Bedienelement. Zur Messung der intrakorporal wirkenden Greifkräfte wurde ein erster Sensor ausgewählt. Der Membrankraftsensor F2220 von der Firma Tecsis arbeitet mit DMS und kann im Kraftfluss eingesetzt werden. Die Messdaten müssen mittels Labview ausgewertet und dem Benutzerinterface übergeben werden, um das haptische Feedback zu erzeugen. Die Installation und Auswertung des Sensors ist jedoch nicht Teil dieser Arbeit. Für erste Kraftmessungen kann der Motorstrom verwendet werden.

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 > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 11 Sep 2013 11:23
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten: Lagerort Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate.

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMK B 1816

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 14-11-2012

Ende Datum: 14-04-2013

ID-Nummer: 17/24 EMK B 1816
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