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Positionsbestimmung im Gelenk- und Arbeitsraum von Exoskeletten mittels IMUs

Buchta, Arthur :
Positionsbestimmung im Gelenk- und Arbeitsraum von Exoskeletten mittels IMUs.
TU Darmstadt
[Masterarbeit], (2017)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Bewegungserfassungssystems für den menschlichen Arm mithilfe von inertialen Messeinheiten zur Steuerung eines Oberarm-Exoskeletts. Mit solch einen System sind neue assistive Anwendungen beispielsweise in der Physiotherapie möglich. Befindet sich ein Patient im Exoskelett, kann der Therapeut mit dem entwickelten System bestimmte Bewegungsabläufe vorgeben. Dafür sind die Gelenkwinkel des Armes im Gelenkraum zu bestimmen. Für das Bewegungserfassungssystem werden 9-Achsen Sensoren BNO055 von Bosch verwendet. Diese verfügen über Beschleunigungssensoren, Drehratengebern sowie Magnetometern. Ein integrierter Mikrocontroller berechnet mit den Daten die Lage im Raum und gibt diese mit 100 Hz in Quaternionen aus. Das Bewegungserfassungssystem besteht aus vier BNO055 Sensoren, die von Mikrocontrollern ausgelesen werden. Ein Echtzeitrechner empfängt die Quaternionen über EtherCat. Die Auswertung der Quaternionen erfolgt mit einem Simulink Modell, welches auf einem mobilen Echtzeitrechner läuft. Beim Befestigen des Bewegungserfassungssystems am Arm mit Klettverschlussbändern sind die Sensorkoordinatenachsen nicht definiert ausgerichtet. Eine Systemkalibrierung wurde entwickelt, welche die Sensorachsen in zuvor definierte Koordinatensysteme transformiert. Dafür ist ein kurzes Stillstehen, bei der eine g-Vektor Kalibrierung durchgeführt wird, nötig. Anschließend erfolgt eine !-Kalibrierung bei der eine Vorwärts-Schwenkbewegung des Armes durchgeführt wird. Aus den kalibrierten Sensoren erfolgt die Gelenkwinkelbestimmung mittels zyx-Kardanwinkel. Für eine Evaluation der geschätzten Gelenkwinkel wurde das Bewegungserfassungssystem an das Exoskelett montiert und zufällige Schwenkbewegungen durchgeführt. Der durchschnittliche RMS Fehler der sieben Gelenkwinkel bezogen auf die gemessenen Exoskelettwinkel beläuft sich von 1,11° bis 4,85°. Der reduzierte Fehler der Endeffektorposition im Arbeitsraum beläuft sich auf unter 3 %. Mit dieser Arbeit können zuverlässig Gelenkwinkel des menschlichen Armes bestimmt werden, die für die Regelung des Exoskeletts verwertbar sind. Somit ist es möglich, wie im einführenden Beispiel beschrieben,

Typ des Eintrags: Masterarbeit
Erschienen: 2017
Autor(en): Buchta, Arthur
Titel: Positionsbestimmung im Gelenk- und Arbeitsraum von Exoskeletten mittels IMUs
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Bewegungserfassungssystems für den menschlichen Arm mithilfe von inertialen Messeinheiten zur Steuerung eines Oberarm-Exoskeletts. Mit solch einen System sind neue assistive Anwendungen beispielsweise in der Physiotherapie möglich. Befindet sich ein Patient im Exoskelett, kann der Therapeut mit dem entwickelten System bestimmte Bewegungsabläufe vorgeben. Dafür sind die Gelenkwinkel des Armes im Gelenkraum zu bestimmen. Für das Bewegungserfassungssystem werden 9-Achsen Sensoren BNO055 von Bosch verwendet. Diese verfügen über Beschleunigungssensoren, Drehratengebern sowie Magnetometern. Ein integrierter Mikrocontroller berechnet mit den Daten die Lage im Raum und gibt diese mit 100 Hz in Quaternionen aus. Das Bewegungserfassungssystem besteht aus vier BNO055 Sensoren, die von Mikrocontrollern ausgelesen werden. Ein Echtzeitrechner empfängt die Quaternionen über EtherCat. Die Auswertung der Quaternionen erfolgt mit einem Simulink Modell, welches auf einem mobilen Echtzeitrechner läuft. Beim Befestigen des Bewegungserfassungssystems am Arm mit Klettverschlussbändern sind die Sensorkoordinatenachsen nicht definiert ausgerichtet. Eine Systemkalibrierung wurde entwickelt, welche die Sensorachsen in zuvor definierte Koordinatensysteme transformiert. Dafür ist ein kurzes Stillstehen, bei der eine g-Vektor Kalibrierung durchgeführt wird, nötig. Anschließend erfolgt eine !-Kalibrierung bei der eine Vorwärts-Schwenkbewegung des Armes durchgeführt wird. Aus den kalibrierten Sensoren erfolgt die Gelenkwinkelbestimmung mittels zyx-Kardanwinkel. Für eine Evaluation der geschätzten Gelenkwinkel wurde das Bewegungserfassungssystem an das Exoskelett montiert und zufällige Schwenkbewegungen durchgeführt. Der durchschnittliche RMS Fehler der sieben Gelenkwinkel bezogen auf die gemessenen Exoskelettwinkel beläuft sich von 1,11° bis 4,85°. Der reduzierte Fehler der Endeffektorposition im Arbeitsraum beläuft sich auf unter 3 %. Mit dieser Arbeit können zuverlässig Gelenkwinkel des menschlichen Armes bestimmt werden, die für die Regelung des Exoskeletts verwertbar sind. Somit ist es möglich, wie im einführenden Beispiel beschrieben,

Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Hinterlegungsdatum: 21 Jun 2017 08:21
Gutachter / Prüfer: Kupnik, Prof. Mario ; Hessinger, Markus
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