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Kombination von Kraft- und Beschleunigungssignalen zur Darstellung von haptischem Feedback in medizinischen Teleoperationssystemen

Thiem, Daniel B. (2016):
Kombination von Kraft- und Beschleunigungssignalen zur Darstellung von haptischem Feedback in medizinischen Teleoperationssystemen.
TU Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

Im Teleoperationssystem FLEXMIN wird haptisches Feedback durch die Darstellung tieffrequenter Kräfte erzeugt. Interagiert der Mensch über seine Hand mit der Umgebung, nimmt er haptisch Vibrationen mit Frequenzen bis zu 1000 Hz wahr. Die Darstellung dieser hohen Frequenzen kann im aktuellen System nicht gewährleistet werden. Ziel dieser Arbeit ist es deswegen, ein Bedienelement für FLEXMIN zu entwickeln, welches es erlaubt, dem Nutzer Vibrationen mit bis zu 1000 Hz wiederzugeben. Die darzustellenden Signale sollen mithilfe eines Beschleunigungssensors am Endeffektor aufgenommen und von Störungen befreit an der Bedieneinheit dargestellt werden.

Die Erfassung der Vibrationen an der Spitze des Single-Port-Systems von FLEXMIN geschieht über den Beschleunigungssensor LIS344ALH von STMicroelectronics. Das dreidimensionale Beschleunigungssignal wird mithilfe des DFT321-Algorithmus energieneutral auf ein eindimensionales Signal heruntergerechnet. Eine Vibrationsdarstellung soll nur bei Kontakt der Spitze mit der Umgebung stattfinden. Hierfür wird der Einsatz eines neuronalen Netzes zur Erkennung des Kontaktzustandes aus Signalen der in FLEXMIN eingebauten Kraftsensoren untersucht und simuliert. Unerwünschte Vibrationen, die bei Bewegungen der Kinematik auftreten, werden mithilfe des Algorithmus der adaptiven spektralen Subtraktion unterdrückt.

Die Darstellung der verarbeiteten Signale geschieht durch das entwickelte haptische Display. Die Entwicklung findet unter Berücksichtigung der aus der Literatur der menschlichen Physiologie abgeleiteten Anforderungen statt.

Nach einer Vorauswahl aus modellierten Lösungskonzepten werden vier Kinematiken entworfen, simuliert und optimiert. Das verfolgte Gesamtkonzept stellt dabei die Vibrationen parallel zur Haut in der Handfläche dar. Die Erzeugung der Vibrationen erledigt ein Tauchspulenaktor, welcher die Vibrationen auf eine mit Blattfedern linear gelagerte Kinematik überträgt.

Die Steuerung eines Endeffektors findet abhängig zur Kraft zwischen den Fingern statt. Eine differentielle Kraftmessung ermöglicht eine störungsarme Messung dieser Griffkraft.

Dafür wird eine Mechanik entworfen, welche auch eine dezentrale Krafteinleitung in die Kraftsensoren durch die Finger ermöglicht. Durch die Wahl der Vibrationsdarstellung in der Handfläche findet eine örtliche Trennung zwischen vibrierender Kinematik und Kraftmessung statt.

In der abschließenden Charakterisierung des gefertigten und in Betrieb genommenen Systems lässt sich feststellen, dass die geforderte Darstellung einer Beschleunigung von 15 m/s^2 bei 40-1000 Hz möglich ist. Zudem kann bestimmt werden, dass die durch die Signalverarbeitung eingeführte Verzögerung mit 10,53 ms klein genug ist, um keine Beeinflussung in der Wahrnehmung zu erzeugen. Zusätzlich zur systemzentrierten Evaluation wird eine Nutzerstudie entwickelt und statistisch ausgelegt. Diese Studie soll untersuchen, wie groß der haptische Zugewinn durch das entwickelte Display zu bemessen ist. Dafür muss der Nutzer durch das System verschiedene Materialien korrekt erfühlen.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2016
Creators: Thiem, Daniel B.
Title: Kombination von Kraft- und Beschleunigungssignalen zur Darstellung von haptischem Feedback in medizinischen Teleoperationssystemen
Language: German
Abstract:

Im Teleoperationssystem FLEXMIN wird haptisches Feedback durch die Darstellung tieffrequenter Kräfte erzeugt. Interagiert der Mensch über seine Hand mit der Umgebung, nimmt er haptisch Vibrationen mit Frequenzen bis zu 1000 Hz wahr. Die Darstellung dieser hohen Frequenzen kann im aktuellen System nicht gewährleistet werden. Ziel dieser Arbeit ist es deswegen, ein Bedienelement für FLEXMIN zu entwickeln, welches es erlaubt, dem Nutzer Vibrationen mit bis zu 1000 Hz wiederzugeben. Die darzustellenden Signale sollen mithilfe eines Beschleunigungssensors am Endeffektor aufgenommen und von Störungen befreit an der Bedieneinheit dargestellt werden.

Die Erfassung der Vibrationen an der Spitze des Single-Port-Systems von FLEXMIN geschieht über den Beschleunigungssensor LIS344ALH von STMicroelectronics. Das dreidimensionale Beschleunigungssignal wird mithilfe des DFT321-Algorithmus energieneutral auf ein eindimensionales Signal heruntergerechnet. Eine Vibrationsdarstellung soll nur bei Kontakt der Spitze mit der Umgebung stattfinden. Hierfür wird der Einsatz eines neuronalen Netzes zur Erkennung des Kontaktzustandes aus Signalen der in FLEXMIN eingebauten Kraftsensoren untersucht und simuliert. Unerwünschte Vibrationen, die bei Bewegungen der Kinematik auftreten, werden mithilfe des Algorithmus der adaptiven spektralen Subtraktion unterdrückt.

Die Darstellung der verarbeiteten Signale geschieht durch das entwickelte haptische Display. Die Entwicklung findet unter Berücksichtigung der aus der Literatur der menschlichen Physiologie abgeleiteten Anforderungen statt.

Nach einer Vorauswahl aus modellierten Lösungskonzepten werden vier Kinematiken entworfen, simuliert und optimiert. Das verfolgte Gesamtkonzept stellt dabei die Vibrationen parallel zur Haut in der Handfläche dar. Die Erzeugung der Vibrationen erledigt ein Tauchspulenaktor, welcher die Vibrationen auf eine mit Blattfedern linear gelagerte Kinematik überträgt.

Die Steuerung eines Endeffektors findet abhängig zur Kraft zwischen den Fingern statt. Eine differentielle Kraftmessung ermöglicht eine störungsarme Messung dieser Griffkraft.

Dafür wird eine Mechanik entworfen, welche auch eine dezentrale Krafteinleitung in die Kraftsensoren durch die Finger ermöglicht. Durch die Wahl der Vibrationsdarstellung in der Handfläche findet eine örtliche Trennung zwischen vibrierender Kinematik und Kraftmessung statt.

In der abschließenden Charakterisierung des gefertigten und in Betrieb genommenen Systems lässt sich feststellen, dass die geforderte Darstellung einer Beschleunigung von 15 m/s^2 bei 40-1000 Hz möglich ist. Zudem kann bestimmt werden, dass die durch die Signalverarbeitung eingeführte Verzögerung mit 10,53 ms klein genug ist, um keine Beeinflussung in der Wahrnehmung zu erzeugen. Zusätzlich zur systemzentrierten Evaluation wird eine Nutzerstudie entwickelt und statistisch ausgelegt. Diese Studie soll untersuchen, wie groß der haptische Zugewinn durch das entwickelte Display zu bemessen ist. Dafür muss der Nutzer durch das System verschiedene Materialien korrekt erfühlen.

Uncontrolled Keywords: Haptik, Vibrotaktiles Display, Teleoperation
Divisions: 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
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
Date Deposited: 21 Apr 2017 08:56
Referees: Werthschützky, Prof. Roland
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 9 June 2016
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