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Simulation und Aufbau einer kinematischen Struktur für die aktive Bewegungsassistenz der 3 DoF des menschlichen Handgelenks

Fischer, Minyeong Josef (2014):
Simulation und Aufbau einer kinematischen Struktur für die aktive Bewegungsassistenz der 3 DoF des menschlichen Handgelenks.
TU Darmstadt Institut EMK / FG MuST, [Master Thesis]

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird im Rahmen des Projekts BOrEScOPE ein Exoskelett entwickelt, das zur Positionierung eines handgehaltenenWerkzeugs in der Chirurgie dient. Hierbei müssen die drei rotatorischen Freiheitsgrade des Handgelenks aktiv unterstützt werden. Nach einer Untersuchung verschiedener kinematischer Prinzipien wird das Exoskelett als serielle Kinematik mit drei rotatorischen Gelenken ausgelegt. Die Drehachsen des Exoskeletts sind dabei kollinear zu den Drehachsen des Nutzers ausgerichtet, sodass der natürliche Bewegungsraum des Nutzers erhalten bleibt. Als Antriebe kommen drei DC-Motoren (Faulhaber 2657W 048 CR) mit Planetengetriebe (26/1 S) zum Einsatz. Zur Übersetzung der Drehmomente werden spielfreie Seilzuggetriebe verwendet. In den Motoren sind Encoder (IE2-1024) integriert, die für die Messung der Gelenkstellungen zuständig sind. Das maximale Antriebsmoment, das zur Kompensation der Gewichtskräfte und zur Verhinderung von unerwünschten Bewegungen des Nutzers aufgebracht werden kann, beträgt 5,7 Nm. Zur reibungsarmen Lagerung der Gelenkachsen sind Kugellager zuständig. Für Pronation/Supination wird ein leichter Drehring konstruiert, damit sich das Exoskelett um die Drehachse des Unterarms drehen kann. Zur Lagerung kommt hierbei ein Drahtwälzlager (Franke GmbH LEL 1,5/5) zum Einsatz. Als Nutzerschnittstelle ist ein Handgriff vorgesehen, der in seiner Position verstellbar ist, sodass das Exoskelett an unterschiedliche Handgrößen angepasst werden kann. Der Handgriff ermöglicht die Befestigung eines vorhandenen Bohrwerkzeugs an das Exoskelett. Die Position der Werkzeugspitze im Raum wird mit der Vorwärtskinematik bestimmt, welche mit Hilfe der Denavit-Hartenberg-Transformation gelöst wird. Der erreichbare Arbeitsraum wird in SimMechanics simuliert und dargestellt. Um die Winkelgeschwindigkeiten der Werkzeugspitze zu beschreiben wird die Jacobi-Matrix aufgestellt. Die erreichbaren Bewegungsräume des Exoskeletts betragen +-90° für Pronation/Supination, +-10° für Radial-/Ulnarabduktion und +-45° für Flexion/Extension. Um den Nutzer vor Verletzungen zu schützen, sind die Gelenkbewegungen durch mechanische Anschläge eingeschränkt. Das Gesamtgewicht des aufgebauten Exoskeletts beträgt 2,5 kg.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2014
Creators: Fischer, Minyeong Josef
Title: Simulation und Aufbau einer kinematischen Struktur für die aktive Bewegungsassistenz der 3 DoF des menschlichen Handgelenks
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wird im Rahmen des Projekts BOrEScOPE ein Exoskelett entwickelt, das zur Positionierung eines handgehaltenenWerkzeugs in der Chirurgie dient. Hierbei müssen die drei rotatorischen Freiheitsgrade des Handgelenks aktiv unterstützt werden. Nach einer Untersuchung verschiedener kinematischer Prinzipien wird das Exoskelett als serielle Kinematik mit drei rotatorischen Gelenken ausgelegt. Die Drehachsen des Exoskeletts sind dabei kollinear zu den Drehachsen des Nutzers ausgerichtet, sodass der natürliche Bewegungsraum des Nutzers erhalten bleibt. Als Antriebe kommen drei DC-Motoren (Faulhaber 2657W 048 CR) mit Planetengetriebe (26/1 S) zum Einsatz. Zur Übersetzung der Drehmomente werden spielfreie Seilzuggetriebe verwendet. In den Motoren sind Encoder (IE2-1024) integriert, die für die Messung der Gelenkstellungen zuständig sind. Das maximale Antriebsmoment, das zur Kompensation der Gewichtskräfte und zur Verhinderung von unerwünschten Bewegungen des Nutzers aufgebracht werden kann, beträgt 5,7 Nm. Zur reibungsarmen Lagerung der Gelenkachsen sind Kugellager zuständig. Für Pronation/Supination wird ein leichter Drehring konstruiert, damit sich das Exoskelett um die Drehachse des Unterarms drehen kann. Zur Lagerung kommt hierbei ein Drahtwälzlager (Franke GmbH LEL 1,5/5) zum Einsatz. Als Nutzerschnittstelle ist ein Handgriff vorgesehen, der in seiner Position verstellbar ist, sodass das Exoskelett an unterschiedliche Handgrößen angepasst werden kann. Der Handgriff ermöglicht die Befestigung eines vorhandenen Bohrwerkzeugs an das Exoskelett. Die Position der Werkzeugspitze im Raum wird mit der Vorwärtskinematik bestimmt, welche mit Hilfe der Denavit-Hartenberg-Transformation gelöst wird. Der erreichbare Arbeitsraum wird in SimMechanics simuliert und dargestellt. Um die Winkelgeschwindigkeiten der Werkzeugspitze zu beschreiben wird die Jacobi-Matrix aufgestellt. Die erreichbaren Bewegungsräume des Exoskeletts betragen +-90° für Pronation/Supination, +-10° für Radial-/Ulnarabduktion und +-45° für Flexion/Extension. Um den Nutzer vor Verletzungen zu schützen, sind die Gelenkbewegungen durch mechanische Anschläge eingeschränkt. Das Gesamtgewicht des aufgebauten Exoskeletts beträgt 2,5 kg.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Kinematische Struktur seriell Getriebe spielarm Motor-Getriebe-Kombination CAE Exoskelett
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: 20 May 2014 08:00
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKm1835

Art der Arbeit: Masterarbeit

Beginn Datum: 15-08-2013

Ende Datum: 15-02-2014

Identification Number: 17/24 EMK M 1835
Referees: Werthschützky, Prof. Dr. Roland
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