Modellierung, Simulation und Entwurf biomimetischer Roboter basierend auf apedaler undulatorischer Lokomotion

Abstract zur Dissertation Autor: Jianjun Huang Titel: Modellierung, Simulation und Entwurf biomimetischer Roboter basierend auf apedaler undulatorischer Lokomotion _____________________________________________________________________________________________ This dissertation presented is contributing to the current research in the interdisciplinary field of Biomechatronics. In order to develop a technical locomotion system on the basis of rigid multi body system inspired by biological systems (earthworm), the concepts of the undulatory locomotion has been described and implemented technically into the prototypes. Compared to other natural motion patterns, e.g. legged walking, the biomimetic robot based on the peristaltic principle is of great interest to the engineer because of (1) the ability of miniaturization of compliant structures; (2) the ability to move on various terrain; (3) the ability to simplify the movement apparatus. According to the research of MILLER and STEIGENBERGER two aspect of worm like motion are defined: (1) unsymmetrical friction and (2) periodic internal deformations and its interactions with the environment. For this reason, in the theoretically mechanical part of this dissertation, these specific principles have been studied with analytical and computer aided methods. Control algorithm (gaits) for robots with worm like locomotion that are based on more than two DOF spring mass models and are realizing a forward velocity are proposed. The computer simulation of the dynamic behavior of these models and the prototypes have been achieved with the multi body dynamics package ALASKA. In most cases, the experimental evaluation of the numerical results have proven equality between the theory and the experiment. For the technical testing of the developed principle of locomotion and control algorithm two prototypes, which use the electromechanical motor and imbalance system have been designed and tested to produce an internal periodical excitation. The third prototype uses a piezo actuator as a motor and a flexible mechanisms as transmission element. Potential applications of robots with worm like motions are found in all fields of micro and nanotechniques. For these constraint dimensions locomotion systems that have classical motion principles, e.g. the wheeled mobile systems or legged systems, are not suitable for future potential application environments characterized by special terrains and tight space. Apedale peristaltic principle of locomotion may play an important role in the development of new apparatuses in micro technology. The development of applications in minimally invasive surgery has been encouraged by many national and international research institutes. The theoretical and experimental investigation have shown that future research is necessary.Die vorgelegte Arbeit soll einen Beitrag zur Forschung im interdisziplinären Gebiet der Biomechatronik leisten. Es wurde ein Konzept zur Umsetzung einer undulatorischen Lokomotion zur Entwicklung technischer Bewegungssysteme nach biologischem Vorbild (Regenwurm), basierend auf Starrkörpersystemen mathematisch beschrieben und in Prototypen technisch umgesetzt. Gegenüber anderen Bewegungsformen in der Natur, wie z.B. dem Laufen mit Beinen liegt das ingenieurtechnische Interesse für biomimetische Roboter nach dem Peristaltik-Prinzip des Regenwurmes in (1) der Miniaturisierbarkeit der nachgiebigen Strukturen; (2) der Bewegungsmöglichkeit auf vielgestaltigem Untergrund; (3) der Einfachheit des Bewegungsapparates. Ausgehend von den Arbeiten von MILLER und STEIGENBERGER wurden die zwei Aspekte (1) nichtsymmetrische Reibung und (2) periodische interne Deformationen und ihre Auskopplung über Wechselwirkungen mit der Umwelt als wesentlich für eine wurmartige Fortbewegung definiert. Im mathematisch-mechanischen Teil der Arbeit wurden deshalb speziell diese Phänomene mit analytischen und computergestützten Methoden untersucht. Es sind Ansteueralgorithmen (gaits) für wurmartige Roboter, basierend auf Feder-Masse-Modellen mit dem Freiheitsgrad grösser zwei vorgeschlagen worden, die eine maximale Vortriebsgeschwindigkeit realisieren. Die Computersimulation des dynamischen Verhaltens dieser Modelle bzw. der entwickelten Prototypen erfolgte mit dem System ALASKA. Die experimentelle Evaluierung der numerischen Ergebnisse ergab in vielen Fällen gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Zur praktischen Erprobung der gefundenen Bewegungsprinzipien und der Steuer-algorithmen wurden zwei Prototypen mit elektromechanischem Antrieb und Unwuchtsystem zur Erzeugung der internen periodischen Erregung konstruiert und getestet. Ein dritter miniaturisierter Prototyp arbeitet mit einem Piezoaktuator als Antrieb und einem nachgiebigen Mechanismus als Übertragungselement. Potentielle Einsatzgebiete für wurmartige Roboter sind vor allem im Bereich der Mikro- und Nanotechnik zu erwarten. In diesen Dimensionen sind Bewegungssysteme in ihrer klassischen Form, wie z.B. als "wheeled locomotion systems" und "legged locomotion systems", nicht geeignet für zukünftige potentielle Einsatzumgebungen, die u.a. durch das spezielle Terrain oder eingeschränkte Raumbedingungen gekennzeichnet sind. Apedale peristaltische Bewegungsprinzipien können bei der Entwicklung neuartiger Bewegungssysteme im Mikrobereich eine grosse Rolle spielen. Erste Entwicklungen für die minimal-invasive Chirurgie werden von mehreren Forschergruppen national und international vorangetrieben. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen haben deutlich gemacht, dass weitere Forschungen notwendig sind

Spurweiten. Technik, Geschichte, Identität u.a. in H0, Normalspur und 1000 mm

Quellenerschließung ist das Hauptanliegen dieser sozialkonstruktivistischen Essays. Sie behandeln u.a. die Eisenbahn-Spurweiten, die für die Technikbiographie des Verfassers relevant waren und es möglicherweise für andere Biographien auch sind. Das Persönliche im Strukturellen zu kontextualisieren, Techniksozialisation und -faszination in der späten Massenkonsumgesellschaft sichtbar zu machen, ist das Ziel dieser Reflexionen, die sich an der angloamerikanischen Historiographie orientieren

Spurweiten

Obwohl jeder Mensch und Technotopbewohner seit der Hochindustrialisierung eine charakteristische, individuelle Technikbiographie hat, die sich über die enorme Zahl industrieller Artefakte erschließen lässt, die zu seinem Lebensweg und zu seiner Identität gehören, neigen wir dazu, Technikgeschichte höchst unpersönlich und geradezu antibiographisch darzustellen. Das Hauptanliegen der unter dem Titel ,Spurweiten' zusammengefassten Essays ist es, hier neue Wege und vor allem neue Quellen aufzuzeigen. Es geht exemplarisch u. a. um die Eisenbahn-Spurweiten, die für die Technikbiographie des Verfassers relevant waren - und es möglicherweise für viele andere Biographien auch sind. Das Persönliche im Strukturellen zu kontextualisieren und Beispiele für Techniksozialisation und -faszination in der späten Massenkonsumgesellschaft sichtbar zu machen, ist das Ziel dieser Reflexionen, die sich stilistisch an der angloamerikanischen Historiographie orientieren

Spurweiten. Technik, Geschichte, Identität u.a. in H0, Normalspur und 1000 mm

Quellenerschließung ist das Hauptanliegen dieser sozialkonstruktivistischen Essays. Sie behandeln u.a. die Eisenbahn-Spurweiten, die für die Technikbiographie des Verfassers relevant waren und es möglicherweise für andere Biographien auch sind. Das Persönliche im Strukturellen zu kontextualisieren, Techniksozialisation und -faszination in der späten Massenkonsumgesellschaft sichtbar zu machen, ist das Ziel dieser Reflexionen, die sich an der angloamerikanischen Historiographie orientieren

Haptische Bedieneinheit zum Einsatz in einem Teleoperationssystem für die Single-Port-Chirurgie

Gegenwärtig verfügbare Chirurgieroboter bieten Ärzten die Möglichkeit, chirurgische Eingriffe im Bauchraum eines Patienten mit höchster Präzision durchzuführen. Durch die Steuerung der Endeffektoren im Operationsgebiet von einer entfernten Bedienkonsole aus verliert der Arzt jedoch die Möglichkeit, mithilfe seines Tastsinnes Interaktionskräfte und Gewebeeigenschaften wahrzunehmen und zu beurteilen. Hieraus ergeben sich für den Arzt und den Patienten Nachteile und Gefahren, die durch die Darbietung haptischen Feedbacks während der Teleoperation vermieden werden können. Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist daher die wissenschaftliche Erarbeitung einer angepassten haptischen Bedieneinheit zum Einsatz in einem Teleoperationssystem für die Single-Port-Chirurgie sowie die Analyse von Methoden und Komponenten zur Sicherung des haptischen Feedbacks. Die Bedieneinheit umfasst die Funktion eines haptischen Eingabegerätes zur Steuerung eines Manipulators und die Funktion eines Ausgabegerätes zur Darbietung haptischen Feedbacks bezüglich wirkender Interaktionskräfte im Operationsgebiet. Diese Arbeit ist Teilprojekt des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes FLEXMIN (WE 2308/13), dessen Hauptziel in der Erweiterung der Flexibilität minimalinvasiver Instrumente zur Durchführung von Operationen im konkreten Anwendungsfall der transanalen Rektumresektion besteht. Ein weiteres Teilprojekt (SCHL 532/6) umfasst das Single-Port-System, dessen Manipulatoren im Operationsgebiet des Darmes durch die in dieser Arbeit entwickelte Bedieneinheit gesteuert werden sollen. Die Manipulatoren des Single-Port-Systems basieren auf parallelkinematischen Mechanismen. Die Mechanismen ermöglichen die Positionierung und Orientierung eines Endeffektors im Raum, mit den vier in der Laparoskopie üblichen Freiheitsgraden, sowie die Aktuierung eines Greiffreiheitsgrades. Ausgehend vom Stand der Technik basiert der Entwurf der Bedieneinheit als Schnittstelle zum Menschen sowohl auf Grundlagen zur Physiologie und Ergonomie des Menschen als auch auf abgeleiteten Anforderungen, die sich aus der gewählten Systemstruktur des Teleoperationssystems und den kinematischen Eigenschaften des Single-Port-Systems ergeben. Hierzu werden die Mechanismen der haptischen Wahrnehmung diskutiert, für unterschiedliche Darstellungsvarianten haptischen Feedbacks grundsätzliche Lösungskonzepte erarbeitet und die Entwurfsziele zur Entwicklung haptischer Systeme abgeleitet. Geometrische Randbedingungen und zur Verfügung gestellte Freiheitsgrade der Bedieneinheit werden anhand der Struktur der Manipulatoren des Single-Port-Systems fixiert. Die entwickelte Bedieneinheit besteht aus zwei Bedienelementen zur beidhändigen Steuerung der zwei im Single-Port-System integrierten Manipulatoren. Die kinematische Grundstruktur der Bedienelemente ist passiv ausgeführt und gleicht der Struktur der kinematischen Hauptketten der Manipulatoren. Der Nutzer gibt durch seine Eingabe die Position des letzten Gliedes der kinematischen Kette vor. Zur Ausgabe von haptischem Feedback an den Nutzer wird die passive Grundstruktur durch aktive kinematische Mechanismen erweitert. Zur Darbietung eines räumlichen haptischen Feedbacks gelangen deltakinematische Mechanismen zum Einsatz. Sie lösen die von drei gestellfest montierten Aktoren erzeugten Signale im kartesischen Raum auf. Es werden zwei Mechanismen mit unterschiedlichen Entwurfszielen entwickelt, aufgebaut und messtechnisch evaluiert. Beide Mechanismen weisen einen Arbeitsraum von 200x200x150 mm³ auf und eignen sich zur Ausgabe von Kräften bis zu 20 N im Frequenzbereich bis etwa 50 Hz. Die Kraft wird mit einer Auflösung unterhalb der Wahrnehmungsschwelle der menschlichen Hand ausgegeben. Zur Steuerung und zur Ausgabe haptischen Feedbacks in den Freiheitsgraden Greifen und Rotation um die Werkzeugachse werden Nutzerinterfaces entwickelt, welche sich an die zuvor beschriebenen kinematischen Mechanismen ankoppeln lassen. Die Nutzerinterfaces sind zur Handhabung als Pistolengriff oder Pinzette vorgesehen. Mit den Nutzerinterfaces lassen sich Greifkräfte von bis zu 5 N sowie ein Drehmoment um die Werkzeugachse von bis zu 200 mNm in einem Frequenzbereich von bis zu ca. 100 Hz ausgeben. Die zuvor beschriebenen Mechanismen sind zur Darstellung kinästhetischen Feedbacks in einer impedanzgesteuerten Systemtruktur vorgesehen. Neben dieser Darstellungsart werden mit dem vibrotaktilen haptischen Feedback und mit dem Einsatz pseudo-haptischen Feedbacks zwei weitere Methoden zur Darbietung haptischen Feedbacks und deren Kombinierbarkeit im Gesamtsystem untersucht. Mit dem Einsatz von vibrotaktilem Feedback wird das Ziel verfolgt, den haptisch darstellbaren Frequenzbereich bis 1 kHz zu erweitern und damit das komplette Spektrum der haptischen Wahrnehmung des Menschen zu adressieren. Hierzu wird die am Endeffektor des Manipulators wirkende Beschleunigung gemessen und mit einem im Nutzerinterface integrierten Aktor unmittelbar an die Hand des Nutzers ausgegeben. Während pseudo-haptisches Feedback nach Analyse des Stands der Technik nur aus Anwendungen der virtuellen Realität bekannt ist, werden die Mechanismen des pseudo-haptischen Feedbacks innerhalb dieser Arbeit erstmalig für ihre Anwendung in der Teleoperation hergeleitet. Die Herleitung erfolgt exemplarisch für den Freiheitsgrad Greifen. Zur Darbietung eines pseudo-haptischen Sinneseindrucks wird eine bewusst erzeugte Inkongruenz zwischen visuellen und haptischen Reizen genutzt. Erzeugt wird diese Inkongruenz durch die adaptive Variation der Beziehung zwischen der Vorgabegröße des Nutzers am Bedienelement und der resultierenden Ausgangsgröße des Manipulators. Mithilfe statistischer Versuchsplanung werden Probandenstudien konzipiert, um anhand eines absoluten Identifikationsexperimentes den Einfluss von Systemparametern auf die Güte des wahrgenommenen pseudo-haptischen Feedbacks quantitativ ermitteln zu können. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen und Entwurfskriterien für die zukünftige Anwendung pseudo-haptischen Feedbacks in Teleoperationsanwendungen abgeleitet. Unter Verwendung des pseudo-haptischen Feedbacks konnte ein Informationstransfer von bis zu 2,45 bit (ca. 5,5 Stufen) nachgewiesen werden. Zur Darbietung haptischen Feedbacks ist die Messung der Interaktionskräfte des Manipulators Voraussetzung. Da sich die Integration eines kommerziellen Mehrkomponentensensors an der Spitze des Endeffektors aus Platzgründen als nicht praktikabel erweist, werden innerhalb der Arbeit Konzepte zur Implementierung ortsverteilter Sensorik im Single-Port-System abgeleitet und diskutiert. Praktisch umgesetzt wird ein Sensorsystem zur Ableitung von Endeffektorinteraktionskräften auf Basis der Messung von Lagerreaktionskräften der parallelkinematischen Mechanismen. Mit dessen experimenteller Charakterisierung wird die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Konzeptes nachgewiesen. Im Rahmen einer medizinischen Validierung wird die Funktionsfähigkeit des gesamten Teleoperationssystems anhand von Probandenstudien nachgewiesen und in Versuchen an medizinischen Phantomen durch Mediziner gezeigt. Hierbei kann anhand der Fehlerzahl bei einer Tastaufgabe ermittelt werden, dass sich die Präzision der Arbeit unter Verwendung des Robotersystems im Vergleich zur händischen Operation um bis zu Faktor 5 steigern lässt. Des weiteren kann nachgewiesen werden, dass sich die Endeffektorinteraktionskraft durch den Einsatz von haptischem Feedback nahezu halbieren lässt. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen angepasster haptischer Bedieneinheiten unter Verwendung der eingeführten haptischen Feedbackmethoden abgeleitet und diskutiert. Mit dem realisierten Aufbau steht ein Technologieträger zur Beantwortung weiterer Forschungsfragestellungen zur Verfügung. Ansatzpunkte zukünftiger Forschungsarbeiten werden ausblickend für das Projekt FLEXMIN sowie für darauf aufbauende Forschungsarbeiten gegeben

Bibliographie der Veröffentlichungen von Angehörigen der Technischen Hochschule Ilmenau: aus d. Jahr 1986

Übersicht: Bibliographie der Veröffentlichungen von Angehörigen der Technischen Hochschule Ilmena