Bartenschlager, Markus (2015)
Entwicklung eines Sensors zur Messung von Lagerreaktionskräften für parallelkinematische Mechanismen.
Technische Universität Darmstadt
Bachelorarbeit, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Rahmen des Forschungsprojektes FLEXMIN des Instituts EMK der TU Darmstadt wird ein Chirurgieroboter auf Basis eines parallelkinematischen Mechanismus entwickelt. Dieser besteht aus einem Endeffektor, der über drei Schubstreben bewegt wird, welche an zwei Basisplatten gelagert sind. Ziel dieser Arbeit ist es, die am Endeffektor wirkenden Kräfte an einem feststehenden Bauteil des Chirurgieroboters abzuleiten, welche zur Darstellung von haptischem Feedback notwendig sind. Zur Messung dieser Interaktionskräfte wird ein Kraftsensor entworfen, gefertigt und charakterisiert. Die Kräfte sollen in zwei Raumrichtungen gemessen werden, wobei die Parallelkinematik in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt werden darf. Die geometrischen Abmessungen eines Sensorelements sind dadurch auf einen Durchmesser von 7mm begrenzt, wovon eine Schubstrebe bereits einen Durchmesser von 4mm benötigt. Der Sensor soll für eine Nennlast von 5N und eine Maximalbelastung von 15N ausgelegt werden. Dabei soll eine Messunsicherheit von 5% nicht überschritten werden. Recherchen ergeben, dass für die spezifischen Anforderungen an den Sensor kein passendes Produkt gefunden werden kann. Für die Entwicklung eines neuen Kraftsensors wird methodisch ein Konzept erarbeitet. Dafür werden unterschiedliche Möglichkeiten in Bezug auf Positionierung, Geometrie, Material und DMS miteinander verglichen und diskutiert. Das Design des Sensors wird mit Hilfe von FEM Simulationen entworfen. Das Sensorelement wird dahingehend optimiert, dass bei einer Nennkraftbelastung von 5N und einer maximalen Schubstrebenlänge eine Dehnung von 0,1% erreicht wird. Der Sensor ist für Belastungen von bis zu 15N ausgelegt. Der entwickelte Kraftsensor besteht aus Aluminium, hat eine Gesamtlänge von 33mm und einen Durchmesser von 6 mm. Er besteht aus zwei Hülsenringen, welche über vier Verbindungsstreben miteinander verbunden sind. Auf jeder Verbindungsstrebe ist ein Dehnungsmessstreifen der Firma HBM (1-LY11-0.3/120) appliziert, welcher zusammen mit dem gegenüberliegenden DMS zu einer Wheatstone-Halbbrücke verschaltet ist. Zur Integration am Chirurgieroboter besitzt der Sensor einen 3mm langen Zentrierring, welcher in die Basisplatte eingepresst wird. Die Charakterisierung des gefertigten Sensors ergibt einen Hysteresefehler von 6, 00%, einen Linearitätsfehler von 7, 33% und einen Zufallsfehler von 3,85 %. Der entwickelte Sensor hat eine Messunsicherheit von 9, 76% und liegt somit über dem gefordertenWert von 5 %. Durch Kompensation des systematischen Fehlers lässt sich die Messunsicherheit auf den Wert des Zufallsfehler von 3,85% reduzieren. Für die Integration im Gesamtsystem werden für jeden Endeffektor drei Sensoren benötigt. Innerhalb der Arbeit wird ein funktionsfähiges Muster aufgebaut, welches die Kraftmessung an einer Schubstrebe ermöglicht.

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