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Entwurf einer Deltakinematik als angepasste Struktur für die haptische Bedieneinheit eines Chirurgieroboters

Polzin, Julian (2013):
Entwurf einer Deltakinematik als angepasste Struktur für die haptische Bedieneinheit eines Chirurgieroboters.
TU Darmstadt Institut EMK / FG MuST , [Bachelor Thesis]

Abstract

In dieser Arbeit wird eine angepasste Deltakinematik für die haptische Bedieneinheit des Teleoperationssystems FLEXMIN entworfen. Diese erzeugt innerhalb eines vorgesehenen Arbeitsraumes von 200 x 200 x150 mm³ Force Feedback mit einer Amplitude von mindestens 15 N in den drei kartesischen Raumrichtungen. Aus zwei möglichen Deltastrukturen wird dafür die für den Einsatz in haptischen Systemen besser geeignete RUU-Struktur ausgewählt. Die Auslegung der Deltakinematik erfolgt für den statischen Fall. Dazu wird eine analytische Lösung der Rückwärtskinematik bestimmt. Diese und die sich daraus ergebende inverse Jacobimatrix bilden die Grundlage der Auslegung mit Matlab und ermöglichen die Analyse der Übertragungseigenschaften der Kinematik sowie die Bestimmung ihres Arbeitsraumes. Die verwendeten Kinematikparameter sind nach der globalen Kondition v optimiert und führen zu maximaler Isotropie der Übertragungseigenschaften innerhalb des gesamten Arbeitsraumes der Kinematik. Für das Projekt FLEXMIN wird der Teil des Arbeitsraumes mit der höchsten Isotropie der Übertragungseigenschaften durch Analyse des Verlaufs der Konditionszahl k bestimmt. Singuläre Stellungen des Mechanismus werden betrachtet und ihre Existenz innerhalb des ausgewählten Arbeitsraumes ausgeschlossen. Die zur Kraftausgabe und Kompensation der Gewichtskräfte der Kinematik benötigten Antriebsmomente werden zu 4,24 Nm berechnet. Zur Anpassung der Motormomente wird ein spielfreies Seilzuggetriebe entworfen und in Verbindung mit den Motoren ausgelegt. Zur Erzeugung von rippelfreiem Force Feedback kommen dabei elektrisch kommutierende DC-Motoren vom Typ Faulhaber 4490 024 BS zum Einsatz. Die verwendeten Encoder auf der Motorachse ermöglichen eine Positionsmessung der Lage des Toolcenterpoints (TCP) mit einer Auflösung von 0,021 mm. Die konstruktive Ausgestaltung aller Bestandteile der Kinematik erfolgt mit dem Ziel der Minimierung von Reibung und Spiel. Hierzu werden die Gelenke durch axial verspannte Rillenkugellager ausgeführt. Entsprechend der durchgeführten theoretischen Betrachtungen wird die Deltakinematik konstruktiv umgesetzt und ein fertigungsreifer Datensatz an Konstruktionszeichnungen ausgearbeitet. Abschließend erfolgt ein Vorschlag zur Integration von zwei der entworfenen Kinematiken in das bestehende Teleoperationssystem des Projektes FLEXMIN.

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2013
Creators: Polzin, Julian
Title: Entwurf einer Deltakinematik als angepasste Struktur für die haptische Bedieneinheit eines Chirurgieroboters
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wird eine angepasste Deltakinematik für die haptische Bedieneinheit des Teleoperationssystems FLEXMIN entworfen. Diese erzeugt innerhalb eines vorgesehenen Arbeitsraumes von 200 x 200 x150 mm³ Force Feedback mit einer Amplitude von mindestens 15 N in den drei kartesischen Raumrichtungen. Aus zwei möglichen Deltastrukturen wird dafür die für den Einsatz in haptischen Systemen besser geeignete RUU-Struktur ausgewählt. Die Auslegung der Deltakinematik erfolgt für den statischen Fall. Dazu wird eine analytische Lösung der Rückwärtskinematik bestimmt. Diese und die sich daraus ergebende inverse Jacobimatrix bilden die Grundlage der Auslegung mit Matlab und ermöglichen die Analyse der Übertragungseigenschaften der Kinematik sowie die Bestimmung ihres Arbeitsraumes. Die verwendeten Kinematikparameter sind nach der globalen Kondition v optimiert und führen zu maximaler Isotropie der Übertragungseigenschaften innerhalb des gesamten Arbeitsraumes der Kinematik. Für das Projekt FLEXMIN wird der Teil des Arbeitsraumes mit der höchsten Isotropie der Übertragungseigenschaften durch Analyse des Verlaufs der Konditionszahl k bestimmt. Singuläre Stellungen des Mechanismus werden betrachtet und ihre Existenz innerhalb des ausgewählten Arbeitsraumes ausgeschlossen. Die zur Kraftausgabe und Kompensation der Gewichtskräfte der Kinematik benötigten Antriebsmomente werden zu 4,24 Nm berechnet. Zur Anpassung der Motormomente wird ein spielfreies Seilzuggetriebe entworfen und in Verbindung mit den Motoren ausgelegt. Zur Erzeugung von rippelfreiem Force Feedback kommen dabei elektrisch kommutierende DC-Motoren vom Typ Faulhaber 4490 024 BS zum Einsatz. Die verwendeten Encoder auf der Motorachse ermöglichen eine Positionsmessung der Lage des Toolcenterpoints (TCP) mit einer Auflösung von 0,021 mm. Die konstruktive Ausgestaltung aller Bestandteile der Kinematik erfolgt mit dem Ziel der Minimierung von Reibung und Spiel. Hierzu werden die Gelenke durch axial verspannte Rillenkugellager ausgeführt. Entsprechend der durchgeführten theoretischen Betrachtungen wird die Deltakinematik konstruktiv umgesetzt und ein fertigungsreifer Datensatz an Konstruktionszeichnungen ausgearbeitet. Abschließend erfolgt ein Vorschlag zur Integration von zwei der entworfenen Kinematiken in das bestehende Teleoperationssystem des Projektes FLEXMIN.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Haptik Kinematische Struktur Parallel Haptisches Display Getriebe Spielarm Deltakinematik
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: 09 Oct 2013 07:59
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB1823

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 02-05-2013

Ende Datum: 02-09-2013

Identification Number: 17/24 EMK B 1823
Referees: Werthschützky, Prof Roland
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