Design of a six degrees of freedom haptic device

From the open-loop tele-operator systems of 1950’s to the modern kinesthetic training and surgery support setups, haptic systems took a long way of evolution. Application areas ranging from minimally invasive surgery to space training systems for astronauts, still there is a large room for improvements. The vast areas of emerging applications put a number of demands on haptic interfaces. Fidelity, large workspace and high force/torque capacity are among those demands. The thesis concentrates on the design of a haptic master arm. The mechanical system with an analysis of dynamics properties, electronic hardware, algorithms for forward and inverse kinematics and software for the integration of sensors and actuators are developed to create an infrastructure for haptic interaction. Though the major design criteria applied in this design are a large workspace and high force/torque capacity, dynamics compensation techniques are also discussed as part of the developed infrastructure. The main focus of the thesis is the design of this hardware and software base for haptic applications rather than the design of haptic control algorithms. A survey on haptic interfaces and master arm design criteria is presented firstly. A set of specifications for the master arm is determined for a general and multipurpose yet ergonomic use. Newton-Euler based simulation techniques are employed for the component selection. Sensors and controller hardware are selected according to the demands of the haptic control problem. Dynamics compensation techniques for the designed manipulator are considered and tested in simulation. Finally the designed master arm is assembled and electrically integrated

Kinesthetic Haptics Sensing and Discovery with Bilateral Teleoperation Systems

In the mechanical engineering field of robotics, bilateral teleoperation is a classic but still increasing research topic. In bilateral teleoperation, a human operator moves the master manipulator, and a slave manipulator is controlled to follow the motion of the master in a remote, potentially hostile environment. This dissertation focuses on kinesthetic perception analysis in teleoperation systems. Design of the controllers of the systems is studied as the influential factor of this issue. The controllers that can provide different force tracking capability are compared using the same experimental protocol. A 6 DOF teleoperation system is configured as the system testbed. An innovative master manipulator is developed and a 7 DOF redundant manipulator is used as the slave robot. A singularity avoidance inverse kinematics algorithm is developed to resolve the redundancy of the slave manipulator. An experimental protocol is addressed and three dynamics attributes related to kineshtetic feedback are investigated: weight, center of gravity and inertia. The results support our hypothesis: the controller that can bring a better force feedback can improve the performance in the experiments

Robotically assisted eye surgery : a haptic master console

Vitreo-retinal surgery encompasses the surgical procedures performed on the vitreous humor and the retina. A procedure typically consists of the removal of the vitreous humor, the peeling of a membrane and/or the repair of a retinal detachment. Operations are performed with needle shaped instruments which enter the eye through surgeon made scleral openings. An instrument is moved by hand in four degrees of freedom (three rotations and one translation) through this opening. Two rotations (? and ? ) are for a lateral instrument tip movement. The other two DoFs (z and ?) are the translation and rotation along the instrument axis. Actuation of for example a forceps can be considered as a fifth DoF. Characteristically, the manipulation of delicate, micrometer range thick intraocular tissue is required. Today, eye surgery is performed with a maximum of two instruments simultaneously. The surgeon relies on visual feedback only, since instrument forces are below the human detection limit. A microscope provides the visual feedback. It forces the surgeon to work in a static and non ergonomic body posture. Although the surgeon’s proficiency improves throughout his career, hand tremor may become a problem around his mid-fifties. Robotically assisted surgery with a master-slave system enhances dexterity. The slave with instrument manipulators is placed over the eye. The surgeon controls the instrument manipulators via haptic interfaces at the master. The master and slave are connected by electronic hardware and control software. Implementation of tremor filtering in the control software and downscaling of the hand motion allow prolongation of the surgeon’s career. Furthermore, it becomes possible to do tasks like intraocular cannulation which can not be done by manually performed surgery. This thesis focusses on the master console. Eye surgery procedures are observed in the operating room of different hospitals to gain insight in the requirements for the master. The master console as designed has an adjustable frame, a 3D display and two haptic interfaces with a coarse adjustment arm each. The console is mounted at the head of the operating table and is combined with the slave. It is compact, easy to place and allows the surgeon to have a direct view on and a physical contact with the patient. Furthermore, it fits in today’s manual surgery arrangement. Each haptic interface has the same five degrees of freedom as the instrument inside the eye. Through these interfaces, the surgeon can feel the augmented instrument forces. Downscaling of the hand motion results in a more accurate instrument movement compared to manually performed surgery. Together with the visual feedback, it is like the surgeon grasps the instrument near the tip inside the eye. The similarity between hand motion and motion of the instrument tip as seen on the display results in an intuitive manipulation. Pre-adjustment of the interface is done via the coarse adjustment arm. Mode switching enables to control three or more instruments manipulators with only two interfaces. Two one degree of freedom master-slave systems with force feedback are built to derive the requirements for the haptic interface. Hardware in the loop testing provides valuable insights and shows the possibility of force feedback without the use of force sensors. Two five DoF haptic interfaces are realized for bimanual operation. Each DoF has a position encoder and a force feedback motor. A correct representation of the upscaled instrument forces is only possible if the disturbance forces are low. Actuators are therefore mounted to the fixed world or in the neighborhood of the pivoting point for a low contribution to the inertia. The use of direct drive for ' and and low geared, backdriveable transmissions for the other three DoFs gives a minimum of friction. Disturbance forces are further minimized by a proper cable layout and actuator-amplifier combinations without torque ripple. The similarity in DoFs between vitreo-retinal eye surgery and minimally invasive surgery (MIS) enables the system to be used for MIS as well. Experiments in combination with a slave robot for laparoscopic and thoracoscopic surgery show that an instrument can be manipulated in a comfortable and intuitive way. User experience of surgeons and others is utilized to improve the haptic interface further. A parallel instead of a serial actuation concept for the ' and DoFs reduces the inertia, eliminates the flexible cable connection between frame and motor and allows that the heat of the motor is transferred directly to the frame. A newly designed z-?? module combines the actuation and suspension of the hand held part of the interface and has a three times larger z range than in the first design of the haptic interface

Haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle für ein laparoskopisches Chirurgie-System

Für eine Vielzahl von Operationen im Bauchraum ist heute die Laparoskopie Stand der Technik, so z.B. die Cholezytektomie zur Entfernung der Gallenblase. Hierbei handelt es sich um ein minimalinvasives Verfahren bei dem der Zugang zum Operationsgebiet durch kleinste Schnitte in der Bauchdecke des Patienten erfolgt. Bei der Operation kommen lange starre Instrumente zu Einsatz. Im Gegensatz zu einer offenen Operation haben die Hände des Chirurgen keinen direkten Zugang zum operierten Gewebe. Ein Abtasten des Gewebes ist nicht möglich, der haptische Sinn zur Diagnose und Navigation im Operationsgebiet steht dem Operateur folglich nicht zur Verfügung. Diese Einschränkung erhöht die Komplexität laparoskopischer Eingriffe erheblich. Auch die Beweglichkeit im Operationsfeld ist stark eingeschränkt. Eine technische Antwort auf diese Einschränkungen sind haptische Telemanipulationssysteme. Sie bestehen aus einer angetriebenen Instrumentenspitze sowie einem haptischen Bedienelement, das die Kontaktkräfte zwischen Instrumentenspitze und Gewebe an den Bediener meldet. Hierzu erfasst ein Kraftsensor an der Instrumentenspitze die auftretenden Kontaktkräfte. Antriebe im Bedienelement erzeugen daraus eine Kraftinformation und leiten sie über einen Mechanismus an den Bediener weiter. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung der Entwurfsmethodik für haptische Bedienelemente und der Realisierung eines neuartigen Bedienelements. Basis ist eine Analyse des chirurgischen Szenarios in der minimalinvasiven Leberchirurgie. Daraus leitet sich das Entwurfsziel eines haptischen Bedienelementes mit drei kartesischen Freiheitsgraden ab. Auf Grund ihrer guten dynamischen Eigenschaften sind besonders parallelkinematische Mechanismen zur Übertragung haptischer Informationen geeignet. Sie zeichnen sich durch eine große Struktursteifigkeit und geringe bewegte Massen aus. Ihr kinematisches Übertragungsverhalten ist hingegen meist komplex. Aus der Analyse der kinematischen Bedingungen für ein rein kartesisches Ausgangsverhalten ergibt sich ein möglicher Lösungsraum geeigneter Topologien. Alle bestehen aus drei Beinen mit je 5 Gelenkfreiheitsgraden, einer Basis-Plattform und einer Tool-Centre-Point-Plattform zur Ausgabe der haptischen Information. Für den vorliegenden Fall ist eine RUU- bzw. DELTA-Struktur geeignet. Diese Struktur übersetzt drei Antriebsmomente in eine rein kartesische Ausgabe. Basierend auf der Analyse der kinematischen Entwurfsziele für haptische Mechanismen erfolgte eine Auslegung des Mechanismus im Hinblick auf isotropes, d.h. richtungsunabhängiges Übertragungsverhalten. Charakteristisches Maß ist die globale Konditionszahl. Entscheidend für die Qualität der haptischen Rückmeldung ist das dynamische Übertragungsverhalten haptischer Bedienelemente. Für eindimensionale Systeme ist in der Literatur zur Modellierung der Zwei-Tor Ansatz basierend auf der elektromechanischen Netzwerktheorie eingeführt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt erstmalig die Erweiterung auch für den mehrdimensionalen Fall. Damit ist es möglich, auch die dynamischen Eigenschaften mehrdimensionaler Mechanismen mit dem Zwei-Tor Ansatz abzubilden. Dies erlaubt Anwendung des Entwurfsverfahrens der "Transparenz" für mehrdimensionale Systeme. Zur Analyse der mechanischen Eigenschaften des operierten Gewebes entstehen zwei Messplätze für die Frequenzbereiche f = 10...10^4 Hz (taktile Wahrnehmung) und f=DC...50 Hz (kinästhetische Wahrnehmung). Sie ermöglichen die messtechnische Charakterisierung der mechanischen Impedanz und die Ableitung mechanischer Schaltungen. Damit lässt sich die Impedanz des Gewebes rechnerisch im Gütekriterium der Transparenz zur Bewertung eines haptischen Telemanipulationssystems einsetzen. Die Realisierung eines haptischen Bedienelements erfolgt für ein neuartiges, tragbares Teleoperationssystem. Das Bedienkonzept ist an Hand eines ergonomischen Funktionsmusters im Tierversuch evaluiert. Kernkomponente ist ein haptisches Joystick mit drei kartesischen Freiheitsgraden durch einen RUU-Mechanismus. Der Arbeitsraum beträgt 743,5 cm³. Das Bedienelement ist mit einer Impedanz-gesteuerten Systemstruktur entworfen und feinwerktechnisch umgesetzt. Als Antriebe kommen drei EC-Motoren zum Einsatz. Mit einem maximalen Moment von 0,2 Nm erzeugen sie eine haptische Rückmeldung von 5N in 82% des Volumens im Arbeitsraum. Die zum Betrieb erforderlichen kinematischen Berechnungen sind auf einem Steuerrechner implementiert. Zusammen mit der Leistungselektronik ist dieser in einem mobilen Rack integriert. Der Nachweis der Funktionsfähigkeit erfolgt an einem experimentellen Telemanipulationssystem im Laborbetrieb

Proceedings of the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015

This volume contains the full papers accepted for presentation at the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015 held in the Barcelona School of Industrial Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya, on June 29 - July 2, 2015. The ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics is an international meeting held once every two years in a European country. Continuing the very successful series of past conferences that have been organized in Lisbon (2003), Madrid (2005), Milan (2007), Warsaw (2009), Brussels (2011) and Zagreb (2013); this edition will once again serve as a meeting point for the international researchers, scientists and experts from academia, research laboratories and industry working in the area of multibody dynamics. Applications are related to many fields of contemporary engineering, such as vehicle and railway systems, aeronautical and space vehicles, robotic manipulators, mechatronic and autonomous systems, smart structures, biomechanical systems and nanotechnologies. The topics of the conference include, but are not restricted to: ● Formulations and Numerical Methods ● Efficient Methods and Real-Time Applications ● Flexible Multibody Dynamics ● Contact Dynamics and Constraints ● Multiphysics and Coupled Problems ● Control and Optimization ● Software Development and Computer Technology ● Aerospace and Maritime Applications ● Biomechanics ● Railroad Vehicle Dynamics ● Road Vehicle Dynamics ● Robotics ● Benchmark ProblemsPostprint (published version