Untersuchung von Kinematiken für handgehaltene Roboter


Pott, Peter Paul


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URL: https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/2238
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-22383
Dokumenttyp: Dissertation
Erscheinungsjahr: 2008
Verlag: Universität Mannheim
Gutachter: Badreddin, Essameddin
Datum der mündl. Prüfung: 18 November 2008
Sprache der Veröffentlichung: Deutsch
Einrichtung: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Automation (Badreddin -2008)
Fachgebiet: 620 Ingenieurwissenschaften
Normierte Schlagwörter (SWD): Roboter , Mensch-Maschine-Kommunikation , Parallelstruktur <Maschinenbau> , Kinematik , Spezifikation , Stabilisierung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Epizaktor , handgehaltener Roboter , Hybridkinematik
Freie Schlagwörter (Englisch): Epizactor , handheld robot , hybrid kinematics
Abstract: Abstract Einleitung & Fragestellung Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit auf verschiedenen Kinematiken basierenden Maschinen zum Einsatz als handgehaltene Roboter für den orthopädisch-chirurgischen Bereich. An Medizinroboter werden hohe Anforderungen besonders im Bezug auf die Integration des Roboters in den Operationsablauf gestellt. Diese erscheinen mit einem Roboter, der in der Hand des Benutzers gehalten wird und somit dem Bediener die Überwachung seiner Arbeit ermöglicht, während gleichzeitig mit hoher Präzision programmierte Frästrajektorien ausgeführt werden, besonders gut erfüllt zu sein. Die Entwicklung eines handgehaltenen Roboters ist nicht zuletzt wegen der hohen Anforderungen an die Dynamik, die Kräfte und speziell das Gewicht der Maschine eine besondere Herausforderung. Für den Einsatz als handgehaltener Roboter steht neben bekannten Parallelkinematiken eine neuartige hybride Kinematik zur Verfügung, die auf der Verdrehung achsparalleler Scheiben basiert. Diese wird als Epizaktor (aus "epizyklisch"' und "Aktor"') bezeichnet, erscheint viel versprechend und soll ausführlich hinsichtlich des Einsatzes als handgehaltener Roboter beschrieben, untersucht und mit den zwei bekannten Parallelkinematiken "Hexapod"' und "Hexaglide"' verglichen werden. Ziel ist es, zu ergründen, welche Kinematik sich prinzipiell am besten für eine technische Umsetzung eignet. Vorgehensweise Um den Vergleich führen zu können, werden in einem ersten Schritt die Spezifikationen, die für einen handgehaltenen Medizinroboter anzunehmen sind, mit Hilfe von Literaturrecherchen und technischen Überlegungen erarbeitet. Im Anschluss wird eine Literaturrecherche zur handgehaltenen Robotik und zum Stand der Technik der epizyklischen Kinematiken präsentiert. In einem weiteren Schritt wird gezeigt, dass epizyklische Kinematiken mit mehreren Freiheitsgraden möglich sind und aus der Menge der so identifizierten Kinematiken die 6-DOF-Kinematik mit den günstigsten Eigenschaften ausgewählt. Hierzu wird ein aus der Literatur bekanntes Vergleichsverfahren angewandt. In einem dritten Schritt werden zunächst die Kinematiken Hexapod, Hexaglide und Epizaktor auf theoretischer Ebene verglichen. Ein Vergleich von drei auf den genannten Kinematiken basierenden und als handgehaltene Roboter konzipierten Maschinen schließt die Untersuchung ab. Ergebnisse In Abschnitt 1 wird die Klassifizierung der handgehaltenen Robotik erarbeitet. Ein handgehaltener Roboter ist demnach eine einfach umprogrammierbare Bearbeitungsmaschine, deren Baugröße und Gewicht ein Tragen in der Hand des Bedieners erlauben. Abschnitt 2 stellt den Stand der Technik im Bereich der handgehaltenen Robotik sowie den der epizyklischen Kinematiken vor und beschreibt das Arbeitsumfeld von Medizinrobotern. Dabei wird deutlich, dass bisher kein handgehaltener Roboter bekannt ist und epizyklische Kinematiken mit mehr als drei Freiheitsgraden in der Literatur bisher nicht beschrieben sind. Eine ausführliche Zusammenstellung der Spezifikationen für handgehaltene Medizinroboter im orthopädisch-chirurgischen Bereich wird in Abschnitt 3 präsentiert. Diese Spezifikationen betreffen u.a. die Baugröße, das Gewicht, die Größe des Arbeitsraumes, die Dynamik, die Kräfte, die Genauigkeit, die Störgrößen, die externe Sensorik sowie medizinische Aspekte. Es wird deutlich, dass die Realisierung eines handgehaltenen Roboters besonders an das mechatronische Teilsystem eine Herausforderung darstellt. Abschnitt 4 befasst sich mit dem Epizaktor und stellt mögliche Konfigurationen mit mehreren Freiheitsgraden vor. Für die sechs ausgemachten 6-DOF-Kinematikvarianten wird jeweils die Lösung des direkten und inversen kinematischen Problems vorgestellt und ein Vergleich geführt mit dem Ziel, die günstigste 6-DOF-Kinematik zu identifizieren. Für diese werden ein inverses dynamisches Modell sowie eine Möglichkeit zur Vermeidung von Singularitäten erarbeitet. Für die Singularitätsvermeidung werden mit Hilfe von Matlab/Simulink entwickelte Simulationen präsentiert. Dabei wird deutlich, dass der gewählte Regler in der Lage ist, den Einfluss der Singularität in der Mitte des Arbeitsraumes eines Epizaktor-Scheibensystems zu kompensieren. Abschnitt 5 schließlich führt den Vergleich der drei genannten Kinematiken und auf ihnen basierenden Maschinen. Dabei wird ersichtlich, dass der Epizaktor das deutlich größte Potenzial für kleine, leichte und kompakte Maschinen besitzt, weil er das günstigste Verhältnis von Arbeitsraum und Bauraum aufweist. Außerdem führt die Verwendung von rotierenden Antrieben zu einem geringeren Motorgewicht und somit Gesamtgewicht einer solchen Maschine. Die ausgeführten Konstruktionen unterscheiden sich aus verschiedenen vor allem praktischen Gründen im vorliegenden Prototypenstatus nur geringfügig. Diskussion Die handgehaltene Robotik ist eine wenig bekannte Disziplin im Bereich der Robotik und Mechatronik, wie die Literaturrecherche zum Stand der Technik zeigte. Die Spezifikationen für die Entwicklung von Maschinen für den Einsatz als handgehaltene Medizinroboter konnten mit Hilfe der Literatur sowie technischer Überlegungen in ausreichender Tiefe ermittelt werden. Die Entwicklung der epizyklischen Kinematiken mit sechs Freiheitsgraden erbrachte eine Reihe von Varianten, von denen eine für den Einsatz in einem handgehaltenen Roboter ausgewählt wurde. Die Menge der identifizierten Kinematiken erscheint vollständig und die für die weitere Untersuchung ausgewählte Kinematik entsprechend des Vergleichsverfahrens geeignet. Eine Eignung der übrigen Kinematiken für alternative Einsatzzwecke soll nicht ausgeschlossen werden. Der Vergleich von Hexapod, Hexaglide und Epizaktor erbrachte große Unterschiede auf theoretischer Ebene, die im Vergleich der praktisch ausgeführten Konstruktionen weniger deutlich ausfallen. Dies kann vor allem mit dem unterschiedlich weit gediehenen Entwicklungsfortschritt der Maschinen begründet werden. Die Epizaktor-Kinematik bietet das größte Potenzial für den Einsatz als kompakter Medizinroboter und soll für einen solchen als Basis weiterer Entwicklungen - nicht nur im Bereich der Medizinrobotik - dienen.
Übersetzter Titel: Analysis of Kinematics for Handheld Robots (Englisch)
Übersetzung des Abstracts: Abstract Introduction The work presented deals with robotic devices based on different kinematics for the use as a handheld robot in orthopaedic surgery. Medical robots are confronted with high standards/requirements especially concerning their integration in the surgical workflow. Looking at a handheld robot these seem to be well complied by a robot held in the user's hand who thus is enabled to control his or her work while performing programmed milling trajectories with high precision. The development of a handheld robot is particularly challenging last but not least not only because of the requirements concerning dynamics, forces, and especially the weight of the machine. For the use as a handheld robot, well-known parallel kinematics can be deployed while in addition a novel hybrid kinematics, based on the rotation of axially parallel disks, is available. This is characterised as "Epizaktor" (from "epicyclic" and "actuator"). It appears promising and shall be described regarding its use as handheld robot. Additionally it will be compared to the established parallel kinematics "Hexapod" and "Hexaglide". The objective is to identify which kinematics is mostly suitable for a technical realisation. Modus Operandi To lead the comparison in the first step, literature research and technical considerations are applied to elaborate the specifications that can be assumed for a handheld robot. Subsequently, a literature research on handheld robotics and the state-of-the-art of epicyclic kinematics are presented. In a next step it is shown that epicyclic kinematics can be realised with several degrees of freedom. From the set of the identified kinematics a 6-DOF kinematics with the most favourable properties is chosen. To do so an established method for comparison is taken from literature. In a third step, initially the kinematics "Hexapod", "Hexaglide", and "Epizactor" are compared on a theoretical level. The survey is completed by the comparison of three handheld robots based on the mentioned kinematics. Results In section 1 the classification of handheld robotics is elaborated. According to that, a handheld robot is an easily re-programmable machine tool whose size and weight allow its carrying in the user's hand. Section 2 presents the state-of-the-art in the field of handheld robotics as well as of epicyclic kinematics and describes the working environment of medical robots. It becomes clear that up to now a handheld robot is not known and epicyclic kinematics with more than three degrees of freedom are not described in literature. A detailed compilation of the specifications of handheld medical robots in the field of orthopaedic surgery is presented in section 3. Among other things these specifications affect size, weight, size of the workspace, dynamics, forces, accuracy, disturbances, external sensors, and medical aspects. It becomes clear that the realisation of a handheld robots demonstrates exceptional challenges to the mechatronic subsystem. Section 4 addresses the Epizaktor and describes possible configurations with several degrees of freedom. A solution for the inverse as well as for the direct kinematic problem is presented for the six identified kinematics with six DOF. These are compared to each other with the aim to identify the most favourable version. For this an inverse dynamic model and a possibility to avoid singularities is worked out. Simulations developed under the Matlab/Simulink environment are presented for the singularity avoidance algorithm. It becomes clear that the chosen controller is able to compensate the influence of the singularity in the centre of the workspace of an Epizaktor disk-system. Section 5 finally leads the comparison of the three kinematics as well as machines based on these kinematics. It becomes obvious that the Epizaktor clearly has the highest potential for small, lightweight and compact machines because it provides the best ratio of workspace and installation space. Furthermore, the use of rotating actuators leads to a lower weight of the actuators and consequently of the machine. The conducted robots in the present prototype stadium vary only marginally, mainly due to practical reasons. Discussion As literature research showed, handheld robotics is a little known discipline in the field of robotics and mechatronics. The specifications for the development of machines to be used as handheld medical robots could be determined in sufficient depth by the help of literature and technical considerations. The development of the epicyclic kinematics provided a number of alternatives of which one was chosen for the use in a handheld robot. The set of the identified kinematics appears to be complete. The version chosen for the further development seems to be adequate according to the method of comparison. A suitability of the other kinematics for alternative applications shall not be excluded. The comparison of Hexapod, Hexaglide, and Epizaktor showed large differences on the theoretical level which turns out to be smaller when comparing the machines at hand. This can mainly be explained by the differences in the advancement of the design of the robots. The Epizaktor-kinematics offers the largest potential for the use as a compact medical robot and shall serve as the base of further developments – not limited to the field of medical robotics. (Englisch)
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Pott, Peter Paul (2008) Untersuchung von Kinematiken für handgehaltene Roboter. [Dissertation]
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