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

Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP 2017 : Stuttgart, 29. Juni 2017, Wissenschaftliche Konferenz

Veränderte Anforderungen in internationalen Märkten erfordern hohe Anstrengungen, um Prozesse in Innovation und Produktentwicklung zu optimieren. Das Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung (SSP) ermöglicht die Diskussion der an Produktgestaltung und -entwicklung beteiligten Disziplinen aus Industrie und Wissenschaft. Das SSP zeigt, wie erfolgreiche Produkte effizient gestaltet und entwickelt werden. Neueste Forschungsergebnisse zu Methoden, Strategien und Werkzeugen werden vorgestellt, um Prozesse zu verbessern und die Digitalisierung zu unterstützen. Mit dem Ziel, nationale und internationale Fachleute unterschiedlicher Disziplinen der Produktentwicklung aus Industrie und Wissenschaft in den Dialog zu bringen, veranstaltet das Fraunhofer IAO gemeinsam mit dem Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design IKTD, dem Institut für Maschinenelemente IMA und dem Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT der Universität Stuttgart das Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP. Am 28. und 29. Juni 2017 fand das SSP bereits zum vierten Mal im Zentrum für Virtuelles Engineering des Fraunhofer IAO statt, nachdem die Symposien 2011, 2013 und 2015 mit jeweils über 200 Besuchern aus Wissenschaft und Wirtschaft großen Zuspruch gefunden hatten. Am Forumstag stand wie immer die Industrie im Fokus, am zweiten Tag die wissenschaftliche Konferenz. Die Konferenz bietet Wissenschaftlern eine Plattform zur Präsentation und Diskussion ihrer neuesten Forschungsergebnisse im Bereich der Produktentwicklung und fördert so den interdisziplinären Wissenstransfer. Aufgerufen waren in der SSP 2017 Beiträge aus folgenden Kategorien: • Wissensmanagement in der Produktentwicklung • Nachhaltige Produktentwicklung • Altersgerechte Produktentwicklung • Zuverlässige Produktentwicklung • Industrie 4.0/Cyber-Physical Products • Konstruktionsmethodiken • Leichtbau in der Produktentwicklung • Nutzerzentriertes Design • Innovations- und Technologiemanagement • Digital Engineering • Lean Development. Eingereicht wurden Beiträge zu Methoden, Strategien und Verfahren, die es ermöglichen, Produktentwicklungsprozesse zu vernetzen, digitale Werkzeuge zu integrieren und die Potenziale neuer Technologien und Werkstoffe optimal auszuschöpfen

Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP 2019 : Stuttgart, 16. Mai 2019, Wissenschaftliche Konferenz

Mit dem Ziel, nationale und internationale Fachleute unterschiedlicher Disziplinen der Produktentwicklung aus Industrie und Wissenschaft in den Dialog zu bringen, organisiert der Verein zur Förderung produktionstechnischer Forschung e.V., das Fraunhofer IAO gemeinsam mit dem Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design IKTD, dem Institut für Maschinenelemente IMA und dem Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT der Universität Stuttgart das Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP. Am 15. und 16. Mai 2019 findet das SSP zum fünften Mal im Zentrum für Virtuelles Engineering des Fraunhofer IAO statt. Am Forumstag steht die industrielle Anwendung im Fokus, am zweiten Tag die wissenschaftliche Konferenz. Die Konferenz bietet Wissenschaftlern eine Plattform zur Präsentation und Diskussion ihrer neuesten Forschungsergebnisse im Bereich der Produktentwicklung und fördert so den interdisziplinären Wissenstransfer. Aufgerufen waren in der SSP 2019 Beiträge aus folgenden Kategorien: • Agile Produktentwicklung • Bionische Produktentwicklung / Biologisierung • Digital Engineering • Geschäftsmodelle moderner Produktentwicklung • Industrie 4.0 / Cyber-Physical Products • Innovations- und Technologiemanagement • Konstruktionsmethodiken • Leichtbau in der Produktentwicklung • Nachhaltige Produktentwicklung • Nutzerzentriertes Design • Wissensmanagement in der Produktentwicklung • Zuverlässige Produktentwicklung In den drei Tracks mit je drei Sessions werden 27 Beiträge präsentiert. Der Abstract der Keynote sowie die 27 Volltexte sind mit deutschen und englischen Abstracts sind in diesem Band zusammengefasst

Entwicklung und Evaluierung eines nutzerzentrierten Assistenzsystems zur Unterstützung von leistungsgeminderten Mitarbeitern bei manuellen Kommissioniertätigkeiten

Vor dem Hintergrund der aktuellen Herausforderungen der Lebens- und Arbeitswelt des 21. Jahrhunderts verstärken sich auch die Anforderungen an Werkstätten für behinderte Menschen. Insbesondere im komplexen intralogistischen Tätigkeitsfeld der manuellen Kommissionierung werden derzeit sowohl auf dem ersten Arbeitsmarkt als auch in den Werkstätten kaum leistungsgeminderte Mitarbeiter eingesetzt. In diesem Zusammenhang stellen informationstechnische und kognitive Assistenzsysteme einen zukunftsträchtigen und erfolgsversprechenden Ansatz zur Anleitung, Unterstützung und Kontrolle von manuellen Industrieprozessen dar. Den Weg zu einem solchen System geht diese Arbeit: von der nutzerzentrierten Entwicklung über die prototypische Umsetzung bis zur praktischen Evaluierung eines funktionsfähigen und ergonomischen Assistenzsystems zur Unterstützung von leistungsgeminderten Mitarbeitern bei der manuellen Person-zur-Ware-Kommissionierung. Das ist zugleich ein wichtiger Beitrag zur Ermöglichung der Teilhabe an Arbeit sowie der daraus resultierenden Förderung der Persönlichkeit von Menschen mit Behinderung und eine Antwort auf die vielfältigen und weitersteigenden Anforderungen an Werkstätten. Darüber hinaus soll der im Zuge der vorliegenden Arbeit umgesetzte Entwicklungsprozess mit seiner Vorgehensweise und Struktur als konzeptionelle Vorlage für die aufgabenorientierte und nutzergerechte Gestaltung von weiteren Assistenzsystemen in der industriellen Anwendung dienen, wie z.B. bei der Montage oder der Verdrahtung von Schalt- und Steuerungsanlagen. Die Arbeit setzt sich zu Beginn mit aktuellen technischen, politischen und institutionsspezifischen Rahmenbedingungen auseinander und betrachtet diese hinsichtlich der Nutzergruppe der leistungsgeminderten Mitarbeiter. Auf Grundlage einer Analyse des Arbeitsprozesses und der Nutzergruppe werden Anforderungsprofile von Seiten des Prozesses, der zukünftigen Nutzer und der Technik erstellt. Daraus lassen sich Zielsetzungen für die Konzeption und Entwicklung des nutzerzentrierten Assistenzsystems ableiten und der Kommissionierprozess spezifizieren. Im Nachgang wird die hardware- und softwareseitige Konzeption und Entwicklung der einzelnen Funktionseinheiten und des Anleitungssystems erläutert sowie der Aufbau und die Funktionsweise dargestellt. Abschließend erfolgt die Anwendung und detaillierte Evaluierung der realisierten Systemlösung.Against the backdrop of current challenges in the living and working environment of the 21st century, the demands placed on sheltered workshops are also intensifying. Particularly in the complex intralogistics field of manual order picking, there are hardly any employees with disabilities working either in the first labor market or in sheltered workshops. In this context, information technology and cognitive assistance systems represent a future-oriented and promising approach to the guidance, support and control of manual industrial processes. For this reason, the central goal of this dissertation is to describe the user-centered development, prototypical implementation and practical evaluation of a functional and ergonomic assistance system for the support of people with disabilities in manual order picking processes. At the same time, this is an important contribution to enabling participation in work as well as encouraging the development of the personality of people with disabilities; it is also a response to the diverse and increasing demands placed on sheltered workshops. In addition, the development process, which was implemented in the course of the present work, is intended to serve as a conceptual template for the task-oriented and user-friendly design and development of further assistance systems in industrial applications, such as the assembly or wiring of switchgear and control systems. At the beginning, the present work deals with current technical, political and institution-specific framework conditions and considers these with regard to the user group of employees with disabilities. On the basis of an analysis of the work process and the user group, requirement profiles are created, taking into account the process, the future users and the technology. From this, objectives for the design and development of the user-centered assistance system can be derived and the picking process specified. Subsequently, the hardware and software development of the single functional units and the guidance system are explained, and their structure and the operating principles presented. Finally, the application is implemented and a detailed evaluation of the implemented system solution is carried out

Forschungsbericht Universität Mannheim, 2004 / 2005

Die Universität Mannheim gibt in dem vorliegenden Forschungsbericht 2004/2005 Rechenschaft über ihre Leistungen auf dem Gebiet der Forschung. Erstmals folgt diese Dokumentation einer neuen Gliederung, die auf einen Beschluss des Forschungsrates der Universität Mannheim zurückgeht. Wie gewohnt erhalten Sie einen Überblick über die Publikationen und Forschungsprojekte der Lehrstühle, Professuren und zentralen Forschungseinrichtungen. Diese werden ergänzt um Angaben zur Organisation von Forschungsveranstaltungen, der Mitwirkung in Forschungsausschüssen, einer Übersicht zu den für Forschungszwecke eingeworbenen Drittmitteln, zu den Promotionen und Habilitationen, zu Preisen und Ehrungen und zu Förderern der Universität Mannheim. Abgerundet werden diese Daten durch zusammenfassende Darstellungen der Forschungsschwerpunkte und des Forschungsprofils der Fakultäten