Peier, Katharina (2013)
Entwicklung und Aufbau eines Navigations-Demonstrators für ein optisches Trackingsystem mit aktiven Markern.
Technische Universität Darmstadt
Studienarbeit, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

In der vorliegenden Arbeit wird ein Navigations-Demonstrator für das optische Trackingsystem AccuTrack 250 der Firma atracsys entworfen, aufgebaut und charakterisiert. Der Anwendungsbereich für optische Trackingsysteme ist bereits heute vielfältig. In Verbindung mit Navigationssystemen kommen optische Tracking-Systeme häufig in medizinischen Bereichen, wie der Chirurgie, zum Einsatz. Für die stetige Weiterentwicklung der Systeme und Schaffung neuer Anwendungsgebiete ist ein grundlegendes Verständnis von optischen Trackingsystemen notwendig. Daher dient der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Demonstrator dazu, dem Anwender die Eigenschaften von optischem Tracking zu vermitteln, sowie die Anwendung für Navigationssysteme darzustellen. Dazu werden zunächst Matchingverfahren vorgestellt und im Hinblick auf ihre Einsetzbarkeit für die Realisierung des Navigations- Demonstrators analysiert und bewertet. Vor allem die Kriterien Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit führen dazu, dass Pin-basiertes Matching ausgewählt wird. Darüber hinaus werden ein geometrischer Demonstrationskörper, sowie Markersterne entwickelt. Die Markersterne sind als Rauten entworfen worden. Insgesamt vier LEDs sind auf der Markersternoberfläche in den Eckpunkten der Raute angebracht und ermöglichen die Identifikation des Markerstern-Koordinatensystems. Die Konstruktion der Haltevorrichtung ermöglicht es, die Markersterne sowohl für den Demonstrationskörper, als auch für ein Werkzeug verwenden zu können, da die Haltevorrichtung über ein Gewinde beliebig ausgetauscht werden kann. Der Demonstrationskörper wird aus rechteckigen Grundformen aufgebaut, da sich bei näherer Betrachtung ergeben hat, dass Knochenmodelle nicht im Rahmen der Arbeit visuell darstellbar sind, die gewählte Form hingegen schon. Durch die Abgrenzung eines Arbeitsbereiches auf der Oberfläche des Demonstrators, kann die gegenseitige Verschattung der Markersterne ausgeschlossen werden. Als Grundlage für eine Navigation mit Hilfe des optischen Trackingsystems, muss die Werkzeugspitze im Demonstrator-Koordinatensystem darstellbar sein. Dazu werden, vom Hersteller mitgelieferte, Klassenbibliotheken um die notwendigen Methoden zu Realisierung der Registrierung und der Transformation der Werkzeugspitze ins Demonstrator-Koordinatensystem erweitert. Das Demonstrator-Marker- Koordinatensystem ist so aufgespannt, dass die x- und y- Ebene die Arbeitsfläche aufspannen und die z-Achse senkrecht dazu steht. Eine, nicht im Rahmen der Arbeit entwickelte, aber angepasste, visuelle Darstellung des Demonstrator-Koordinatensystems ermöglicht es, die Position der Werkzeugspitze auf der Demonstratoroberfläche darzustellen. Um dem Anwender des Navigations-Demonstrators die Funktionsweise von optischen Tracking-Systemen und darauf basierenden Navigations-Systemen zu vermitteln, werden drei verschiedene Szenarien entworfen. Ein Szenario betrachtet dabei die Problematik der Verschattung, das zweite Szenario behandelt die Positionserfassung. Das dritte Szenario ermöglicht eine einfache Navigation auf der Demonstratoroberfläche. Für das dritte Szenario werden sowohl die Position des Zielpunktes, als auch die aktuelle Position als Verlauf auf dem Computerbildschirm visualisiert. Durchgeführte Messungen zeigen, dass das aufgebaute System eine Positionserfassungsgenauigkeit von 2mm in der x und 2,4mm in der y- Ebene aufweist. Die Genauigkeit der Positionserfassung auf der z-Achse wurde im Rahmen der Arbeit nicht betrachtet. Messungen, die zur Bestimmung der Messunsicherheit bei Werkzeugrotationen durchgeführt wurden, zeigen, dass das System einer Rotationsabhängigkeit unterliegt.

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