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Entwicklung und Aufbau einer miniaturisierten Auswerteelektronik zur Kraftmessung an einem Medizinroboter

Degünther, Marco (2017):
Entwicklung und Aufbau einer miniaturisierten Auswerteelektronik zur Kraftmessung an einem Medizinroboter.
TU Darmstadt, [Bachelor Thesis]

Abstract

Im Rahmen des Flexmin-Projektes wird am Institut für Elektromechanische Konstruktion ein Medizinroboter entwickelt, der minimalinvasive Eingriffe am Dickdarm von Patienten durchführen kann. Für Flexmin wird aktuell an einem haptischen Feedback gearbeitet. Die Kräfte, die an den beiden Manipulatoren von Flexmin auftreten, sollen dem Arzt über dessen Bedieninterface übermittelt werden. Insgesamt werden sechs Kraftsignale ausgewertet. Die Kraft wird über Dehnungsmessstreifen, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind, gemessen. Aktuell wird zur Auswertung der Vollbrücken für jedes der Kraftsignale eine Beckhoff-Klemme EL3356 benötigt, die den Platzbedarf von Flexmin stark vergrößert und die Auswertung der Dehnungsmessstreifen außerhalb des vorhandenen Flexmin-Bauraums legt. Die Kraftsignale werden mittels EtherCat-Schnittstelle dem Flexmin Master weitergegeben. In dieser Arbeit wird ein Elektronikverbund entwickelt, der so an den bereits vorhanden Bauraum angepasst wird, dass dieser ohne oder mit nur geringer Erweiterung des vorhandenen Bauraumes zurecht kommt. Desweiteren wird die entwickelte Elektronik eine EtherCat-Schnittstelle besitzen um die Messdaten an den Master weiter zu geben. Hierfür werden im ersten Schritt die drei prinzipiellen Auswerteverfahren von Dehnungsmessstreifen vorgestellt und analysiert. Im Anschluss werden diese auf die Verwendung für Flexmin geprüft. Wie sich herausstellen wird stellt das digitale Trägerfrequenzverfahren hinsichtlich der erzielbaren Messungenauigkeit das aktuell genaueste Messverfahren dar. Die Umsetzbarkeit des Verfahrens ist stark von der Leistungsfähigkeit der vorhandenen Mikrocontroller und den Anforderungen an das zu vermessende Signal hinsichtlich der Bandbreite und der Auflösung abhängig. Daher wird in dieser Arbeit untersucht, welche Parameter die Umsetzbarkeit des Verfahrens beeinflussen und geprüft ob das Verfahren für Flexmin umsetzbar ist. Im Anschluss werden Komponenten für die Umsetzung des Verfahrens anhand von aufgestellten Kriterien ausgewählt und der Elektronikverbund aufgebaut. Des weiteren wird eine Software zur Auswertung der Messdaten und Kommunikation mit der EtherCat-Schnittstelle konzipiert. Die Ergebnisse der Analyse des digitalen Trägerfrequenzverfahrens zeigen, dass die gewünschte Auflösung von 17 Bit und die gewünschte erfassbare Bandbreite des Messsignals von 100 Hz mit dem Trägerfrequenzverfahren unter Verwendung eines uC zum aktuellen Zeitpunkt nicht umsetzbar sind. Die aktuellen Mikrocontroller verfügen über zu wenig Rechenleistung um das digitale Trägerfrequenzverfahren auszuführen. Die Bandbreite des Messsignals hat den größten Einfluss auf die benötigte Rechenleistung. Unter Verwendung von einer Auflösung von 14 Bit und einer Messsignalbandbreite von 30 Hz ist das das Verfahren möglich. Die Konzeption und der Aufbau der Elektronik und Software sind abschlossen, die Vermessung und Charakterisierung der Elektronik sind noch ausstehend. Bachelorarbeit –

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2017
Creators: Degünther, Marco
Title: Entwicklung und Aufbau einer miniaturisierten Auswerteelektronik zur Kraftmessung an einem Medizinroboter
Language: German
Abstract:

Im Rahmen des Flexmin-Projektes wird am Institut für Elektromechanische Konstruktion ein Medizinroboter entwickelt, der minimalinvasive Eingriffe am Dickdarm von Patienten durchführen kann. Für Flexmin wird aktuell an einem haptischen Feedback gearbeitet. Die Kräfte, die an den beiden Manipulatoren von Flexmin auftreten, sollen dem Arzt über dessen Bedieninterface übermittelt werden. Insgesamt werden sechs Kraftsignale ausgewertet. Die Kraft wird über Dehnungsmessstreifen, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind, gemessen. Aktuell wird zur Auswertung der Vollbrücken für jedes der Kraftsignale eine Beckhoff-Klemme EL3356 benötigt, die den Platzbedarf von Flexmin stark vergrößert und die Auswertung der Dehnungsmessstreifen außerhalb des vorhandenen Flexmin-Bauraums legt. Die Kraftsignale werden mittels EtherCat-Schnittstelle dem Flexmin Master weitergegeben. In dieser Arbeit wird ein Elektronikverbund entwickelt, der so an den bereits vorhanden Bauraum angepasst wird, dass dieser ohne oder mit nur geringer Erweiterung des vorhandenen Bauraumes zurecht kommt. Desweiteren wird die entwickelte Elektronik eine EtherCat-Schnittstelle besitzen um die Messdaten an den Master weiter zu geben. Hierfür werden im ersten Schritt die drei prinzipiellen Auswerteverfahren von Dehnungsmessstreifen vorgestellt und analysiert. Im Anschluss werden diese auf die Verwendung für Flexmin geprüft. Wie sich herausstellen wird stellt das digitale Trägerfrequenzverfahren hinsichtlich der erzielbaren Messungenauigkeit das aktuell genaueste Messverfahren dar. Die Umsetzbarkeit des Verfahrens ist stark von der Leistungsfähigkeit der vorhandenen Mikrocontroller und den Anforderungen an das zu vermessende Signal hinsichtlich der Bandbreite und der Auflösung abhängig. Daher wird in dieser Arbeit untersucht, welche Parameter die Umsetzbarkeit des Verfahrens beeinflussen und geprüft ob das Verfahren für Flexmin umsetzbar ist. Im Anschluss werden Komponenten für die Umsetzung des Verfahrens anhand von aufgestellten Kriterien ausgewählt und der Elektronikverbund aufgebaut. Des weiteren wird eine Software zur Auswertung der Messdaten und Kommunikation mit der EtherCat-Schnittstelle konzipiert. Die Ergebnisse der Analyse des digitalen Trägerfrequenzverfahrens zeigen, dass die gewünschte Auflösung von 17 Bit und die gewünschte erfassbare Bandbreite des Messsignals von 100 Hz mit dem Trägerfrequenzverfahren unter Verwendung eines uC zum aktuellen Zeitpunkt nicht umsetzbar sind. Die aktuellen Mikrocontroller verfügen über zu wenig Rechenleistung um das digitale Trägerfrequenzverfahren auszuführen. Die Bandbreite des Messsignals hat den größten Einfluss auf die benötigte Rechenleistung. Unter Verwendung von einer Auflösung von 14 Bit und einer Messsignalbandbreite von 30 Hz ist das das Verfahren möglich. Die Konzeption und der Aufbau der Elektronik und Software sind abschlossen, die Vermessung und Charakterisierung der Elektronik sind noch ausstehend. Bachelorarbeit –

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 > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 06 Mar 2018 07:47
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut Friedrich and Bilz, Johannes
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