Steuerungs- und Überwachungstechnik für modulare, kabelgeführte Handhabungssysteme

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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

Навчально – методичний посібник „Німецька мова“ для студентів I-II курсів

Навчально-методичний посібник розглянуто та затверджено на засіданні кафедри іноземних мов Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя. Напрям підготовки: 6.050502 – інженерна механіка, 6.050503 – машинобудування, 6.050504 – зварювання, 6.051701 – харчові технології та інженерія, 6.060101 – будівництво, 6.070106 – автомобільний транспорт.Даний навчально-методичний посібник містить оригінальні фахові і науково-популярні тексти та ряд практичних порад й рекомендацій щодо роботи над текстами. Основною його метою є розвиток в студентів навиків і умінь опрацювання фахової літератури, зокрема читання, перекладу, реферування й анотування та професійно орієнтованого мовлення на основі опрацьованого матеріалу.I. ОСНОВНИЙ КУРС...6-- Text 1. Hochschulwesen in der Ukraine ...6-- Text 2. Hochschulwesen in Deutschland ...8-- Text 3. Das Studium in Deutschland....10-- Text 4. Forschung in der Ukraine ....13-- Text 5. Die deutsch-ukrainische Kooperation ...16-- Text 6. Deutschland — Erfinderland...18-- Text 7. Albert Einstein....21-- Text 8. Nanotechnologie in der Ukraine....23-- Text 9. Automatisierung...26-- Text 10. Manipulatoren...28-- Text 11. Rund um den Roboter ...30-- Text 12. Erfolgreiche Lasergeschichte in Deutschland....34-- Text 13. Mathematik...37-- Text 14. Geometrie....40-- Text 15. Technomathematik...42-- Text 16. Bernoulli: Eine Mathematikerfamilie....45-- Text 17. Physik als Wissenschaft....47-- Text 18. Mechanik...49-- Text 19. Materie: Die atomare Struktur ...52-- Text 20. Festigkeitslehre....55-- Text 21. Computer...58-- Text 22. Software eines Computers ...60-- Text 23. Rasante Entwicklung der Informationstechnik in Deutschland...63-- Text 24. Internet: Globale Verbindung ...66-- Text 25. Einleitung in Chemie ...69-- Text 26. Chemische Elemente und chemische Verbindungen...71-- Text 27. Wasserstoff...74-- Text 28. Gentechnik im Lebensmittelbereich....76-- Text 29. Umweltkrise: Herausforderung für die Hochschule ...79-- Text 30. Umweltschutz in Deutschland ...82-- Text 31. Gasliefernde Mülldeponien...85-- Text 32. Umweltpolitik im 21. Jahrhundert...87-- II. НАВЧАЛЬНО – МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО РОБОТИ НАД ТЕКСТАМИ...90-- 1. Читання...90-- Додаток II.1.1. Orientierendes Lesen ...93-- Додаток II.1.2. Totales Lesen....94-- Додаток II.1.3. Selegierendes Lesen ...95-- 2. Короткі відомості про переклад...98-- 3. Реферування та анотування ...99-- Смислове згортання тексту ...99-- Рекомендації щодо написання анотації...100-- Рекомендації щодо написання реферату...101-- Кліше та вирази для реферування тексту...102-- III. ТЕКСТИ ДЛЯ ДОМАШНЬОГО ЧИТАННЯ...104-- 1. Leben und Wohnen als Student in Deutschland...104-- 2. Rudolf Diesel eroberte mit seinem Motor die Welt...106-- 3. Die Erbauer des Automobils Daimler und Benz ...107-- 4. Berühmte Deutsche ...109-- 5. Der Nobelpreis ...110-- 6. Aus der Geschichte der geometrischen Konstruktionen....111-- 7. Klassifizierung der Physik ...112-- 8. Quantenphysik und eine neue Deutung der Naturgesetze...114-- 9. Physik im Alltag ...116-- 10. Elementarteilchenphysik.....119-- 11. Eine neue Generation elektronischer Geräte...120-- 12. Computer: Geschichte....122-- 13. Der Computer- Hilfe oder Konkurrenz des Menschen? ...123-- 14. 16-Bit-Mikrorechentechnik ....125-- 15. Mit einem Mausklick in die globale Freihandelszone ...126-- 16. Synthese von Wissenschaft und Industrie in der Chemie...128-- 17. Umweltprobleme...130-- 18. Umweltschutz in der Ukraine....131-- 19. Die Hauptrichtungen der Entwicklung des Maschinenbaus ....133-- 20. Werkzeugmaschinen mit Programmsteuegerung....134-- 21. Zielgerichtete Weiterentwicklungen der Fahrzeuge...136-- 22. Schweißen ...139-- 23. Agrartechnik: Technische Verfahren und Maschinen ...141-- 24. Lebensmitteltechnik: Produktion und Lebensmittelrecht ...143-- IV. ДОВІДНИК...145-- 1. Важливі адреси для тих, хто вивчає німецьку мову...145-- 2. Інформація в Інтернеті для тих, хто бажає навчатися у вузах Німеччини...146-- 3. Стипендійні програми DAAD для України...147-- 4. Німецькі фонди сприяння освіті обдарованої молоді....149-- 5. Пропозиції Гете – Інституту для тих, хто вивчає німецьку мову...151-- 6. Abkürzungsverzeichnis ...152-- 7. Maß- und Gewichtsbezeichnungen....154 8. Mathematische Zeichen...155-- 9. Chemische Elemente ....157-- 10. Redemittel für die Beteiligung am Gespräch, an der Diskussion ...159-- 11. Основні форми сильних та неправильних дієслів...162-- 12. Список використаної та рекомендованої літератури..167-

Ein Beitrag zur kraftbasierten Mensch-Roboter-Interaktion

Ausgehend von einem mit Kraft-/ Momentsensor ausgestatteten seriellen Roboter, wird die kraftbasierte Mensch-Roboter-Interaktion, als ein Spezialfall der Kraft-/ Momentregelung, untersucht. Betrachtet werden dabei sowohl die kinematischen Eigenschaften verschiedener Algorithmen als auch das dynamische Verhalten des Roboters während der kraftgeführten Bewegung (Handführen). Vorgeschlagen für die anschließende Implementierung in reale Steuerungssysteme wird der Ansatz zur kraftgeführten Bewegung im Gelenkraum. Er hat im Vergleich zum kartesischen Algorithmus verschiedene Vorteile. Diese werden an konkreten Beispielen verdeutlicht. Außerdem werden diverse Zusatzfunktionalitäten und Anwendungsfelder vorgestellt. Besondere Erwähnung findet die Problematik der Bedienersicherheit während der Mensch-Roboter-Interaktion. Am Beispiel eines Robotersystems mit sog. offener Steuerung wird untersucht, inwieweit es möglich ist, den Kraft-/ Momentsensor durch einen Algorithmus zum Schätzen von Kontaktkräften und -momenten zu ersetzen. Verwendet werden dabei die Werte der Motorenströme. Darauf basierend wird die kraftgeführte Bewegung des Roboters ohne zusäzliche Sensorik demonstriert

Steuerung und Sensordatenintegration für flexible Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern

Veränderte Marktbedingungen zwingen bundesdeutsche Unternehmen zu einer zunehmenden Rationalisierung und Automatisierung der Fertigung, um im internationalen Wettbewerb trotz hoher Lohnkosten bestehen zu können. Neue organisatorische Strukturen und technische Innovationen sollen die rationelle Produktion kleiner Losgrößen mit hoher Variantenvielfalt und Qualität gewährleisten. Produktionsanlagen, die diesen Anforderungen genügen, zeichnen sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit der eingesetzten Fertigungsgeräte aus. Das Flexibilitäts- und Leistungspotential von Industrierobotern ermöglicht es, sich wechselnden Fertigungsbedingungen anzupassen und gleichzeitig die geforderten Qualitätsparameter einzuhalten. Trotz dieser Potentiale sind hierbei Defizite bei der Manipulation von biegeschlaffen Teilen, der Ausführung komplexer Fügeoperationen und der Einhaltung definierter Beziehungen Werkstück-Werkzeug zu verzeichnen. Der Einsatz von mehreren kooperierend Robotern erlaubt bei einer zunehmenden Prozeß- und Produktkomplexität die Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung und somit eine wesentliche Steigerung der Flexibilität der Fertigung. Neben den Leistungsmerkmalen der Industrieroboter bestimmen vor allem die eingesetzten Peripherieeinrichtungen, Handhabungskomponenten und Sensoren die Fähigkeiten der Fertigungs- und Montagesysteme. Deren Möglichkeiten der Programmierung und Integrationsfähigkeit in ein übergreifendes Steuerungssystem sind maßgebend für die Akzeptanz durch den Anwender. Eine durchgängige informationstechnische Verknüpfung aller Komponenten in einer flexiblen Fertigungszelle und eine damit verbundene Informationstransparenz sind die Voraussetzung für eine effiziente Steuerung des Fertigungsablaufes. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Realisierung eines Konzeptes zur Steuerung von Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern, basierend auf der Nutzung der Leistungspotentiale aller Komponenten der Zelle und der Integration von Sensorinformationen zur Steuerung der Fertigungsvorgänge. Der Entwurf neuer funktionaler Eigenschaften der Roboter und der Sensoren sowie deren steuerungstechnische Einbindung in ein homogenes System der Steuerung einer Fertigungszelle standen dabei im Vordergrund. Ausgangspunkt bildet die Analyse der Fähigkeiten, der Formen der Kooperation und der Struktur der Steuerung von mehreren zusammen agierenden Robotern. Darauf aufbauend, werden die Nutzenpotentiale des Einsatzes von kooperierenden Industrierobotern in der automatisierten Fertigung aufgezeigt. Besonders die Gesichtspunkte einer höheren Flexibilität, eines erweiterten Bewegungsvermögens und einer möglichen Kosteneinsparung werden dabei herausgestellt. Ausgehend von bestehenden Defiziten derzeitiger Steuerungssysteme von Industrierobotern wurden die Schwerpunkte der Entwicklung des Steuerungssystems für kooperierende Roboter und der Integration von Sensoren abgeleitet und umgesetzt. Vor dem Hintergrund des steigenden Softwareaufwandes für komplexe Steuerungssysteme wurde ein Zellensteuerungssystem unter Verwendung von Methoden des Software Engineering konzipiert. Speziell für die Belange der Steuerung von Zellen mit Industrierobotern wurde ein Funktionsumfang zur Programmierung und Ausführung des Fertigungsablaufes, der Bedienung und Steuerung der Komponenten und der Erfassung von Maschinen- und Betriebsdaten realisiert. Eine anwendungsnahe Spezifikation der zur Ausführung eines Auftrages notwendigen Abläufe wird durch eine grafisch interaktive Programmierung und dessen Realisierung auf einem Zellenrechner ermöglicht. Die Überlegungen zum Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten münden in ein Konzept zur kooperierenden Bewegungsführung von Robotern. Ausgehend von grundlegenden Bewegungsformen wurde die hierauf beruhenden Bahnplanungsmethoden zur Erzeugung unabhängiger und kooperierender Bahnen entwickelt. Das Verfahren eines virtuellen Masters erlaubt hierbei die Beschreibung von komplexen räumlichen Bewegungsbahnen. In diesem Zusammenhang galt es, die Frage nach der Erkennung und Abwendung möglicher Kollisionen in komplexen Anordnungen mehrerer Roboter zu analysieren. Durch den Einsatz einer vereinfachten Geometriemodellierung konnte eine Lösung zur On-line-Kollisionserkennung für zwei Industrieroboter aufgezeigt werden. Die entworfenen Verfahren zur Bewegungsplanung bedürfen erweiterter Fähigkeiten der eingesetzten Robotersteuerungen. Auf der Basis eines hybriden und modularen Rechnersystems wurde ein Steuerungskonzept entwickelt, welches den Funktionsumfang der Bewegungsvorbereitung, der koordinierten Bahninterpolation und der Überwachung der Bewegung realisiert. Im Hinblick auf den Einsatz von kooperierenden Robotern wurden auf der Grundlage normierter Programmiertechniken für Industrieroboter geeignete Sprachelemente und Funktionalitäten für die Programmerstellung entworfen. Die Möglichkeiten einer Flexibilisierung und Leistungssteigerung von Fertigungssystemen mit Industrierobotern durch den Einsatz von Sensoren wurden an Hand sensorgeregelter Bewegungen transparent gemacht. Betrachtungen zum Nutzenpotential und den noch bestehenden Defiziten einer Sensorintegration sind vorangestellt worden. Aus den Untersuchungen zu verschiedenen Regelungsstrategien hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens konnten die hieraus resultierenden Eigenschaften für den Einsatz im Prozeß abgeleitet werden. Um die Rückführung der Sensorinformationen in den Bewegungsablauf zu gewährleisten, erfolgte die Entwicklung eines Konzeptes zur Sensor- und Positionsführung. Durch die Anordnung von mehreren Basissensoren und der Nutzung intelligenter und konfigurierbarer Auswertesysteme konnten Profilsensoren für den Einsatz während der Bearbeitung und Montage entwickelt werden. Für die Erfassung der Lage und Anwesenheit von Werkstücken in einer Fertigungszelle wurde ein flexibler Lasersensor entworfen und realisiert, der die Steuerung des Zellenablaufes und die Einhaltung von Qualitätsparametern ermöglicht. Die markanten Flexibilitätsdefizite von Greifern gegenüber Industrierobotern wurden durch den Aufbau eines flexiblen Mehrfingergreifers überwunden. Durch eine objektbezogene Beschreibung der auszuführenden Greifoperationen wird eine Steuerung des Greifers unter gleichzeitiger Integration einer Kraftsensorik erreicht. Mit den dargestellten Arbeiten konnte ein Beitrag zu dem Gesamtanspruch der Steigerung der Flexibilität der Fertigung und der Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung von Werkstücken durch den Einsatz von kooperierenden Robotern und der Integration von Sensoren geleistet werden. Es wurde der Nachweis erbracht, daß auch unter den Bedingungen der automatisierten Fertigung der Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten möglich ist.Changed market conditions are forcing German companies to increasingly rationalize and automate manufacturing in order to survive in international competition despite high labor costs. New organizational structures and technical innovations are intended to ensure the rational production of small lot sizes with a wide variety and quality. Production systems that meet these requirements are characterized by the high performance of the manufacturing equipment used. The flexibility and performance potential of industrial robots makes it possible to adapt to changing production conditions and at the same time to adhere to the required quality parameters. Despite these potentials, there are deficits in the manipulation of limp parts, the execution of complex joining operations and compliance with defined workpiece-tool relationships. The use of several cooperating robots, with increasing process and product complexity, allows the design of new forms of manipulation and processing and thus a significant increase in the flexibility of production. In addition to the performance features of the industrial robots, the peripheral devices, handling components and sensors used determine the capabilities of the manufacturing and assembly systems. Their programming options and ability to integrate into a comprehensive control system are decisive for user acceptance. A consistent information technology connection of all components in a flexible production cell and the associated information transparency are the prerequisites for an efficient control of the production process. The aim of the present work was the development and implementation of a concept for the control of manufacturing cells with cooperating robots, based on the use of the performance potential of all components of the cell and the integration of sensor information to control the manufacturing processes. The focus was on the design of new functional properties of the robots and sensors as well as their control integration in a homogeneous system for controlling a production cell. The starting point is the analysis of the skills, the forms of cooperation and the structure of the control of several robots working together. Building on this, the potential benefits of using cooperating industrial robots in automated production are shown. In particular, the aspects of greater flexibility, expanded mobility and possible cost savings are emphasized. Based on existing deficits in current control systems for industrial robots, the focus of the development of the control system for cooperating robots and the integration of sensors was derived and implemented. Against the background of the increasing software expenditure for complex control systems, a cell control system was designed using software engineering methods. A range of functions for programming and executing the production process, operating and controlling the components and recording machine and operating data has been implemented specifically for the control of cells with industrial robots. An application-specific specification of the processes required to execute an order is made possible by graphically interactive programming and its implementation on a cell computer. The considerations for the use of several flexible handling devices result in a concept for the cooperative motion control of robots. Based on basic forms of movement, the path planning methods based on this were developed to create independent and cooperating paths. The process of a virtual master allows the description of complex spatial trajectories. In this context, it was necessary to analyze the question of the detection and prevention of possible collisions in complex arrangements of several robots. Through the use of simplified geometry modeling, a solution for online collision detection for two industrial robots was shown. The designed motion planning processes require expanded capabilities of the robot controls used. On the basis of a hybrid and modular computer system, a control concept was developed which realizes the functional scope of the motion preparation, the coordinated path interpolation and the monitoring of the motion. With regard to the use of cooperating robots, suitable language elements and functionalities for program creation were designed on the basis of standardized programming techniques for industrial robots. The possibilities of making production systems with industrial robots more flexible and increasing their performance through the use of sensors were made transparent using sensor-controlled movements. Considerations of the potential benefits and the remaining deficits of sensor integration have been given in advance. The resulting properties for use in the process could be derived from the studies of various control strategies with regard to their dynamic behavior. In order to ensure that the sensor information is fed back into the motion sequence, a concept for sensor and position control was developed. By arranging several basic sensors and using intelligent and configurable evaluation systems, profile sensors could be developed for use during machining and assembly. For the detection of the position and presence of workpieces in a production cell, a flexible laser sensor was designed and implemented, which enables control of the cell sequence and compliance with quality parameters. The striking flexibility deficits of grippers compared to industrial robots were overcome by building a flexible multi-finger gripper. A control of the gripper with simultaneous integration of a force sensor system is achieved by an object-related description of the gripping operations to be carried out. With the works shown, a contribution could be made to the overall claim of increasing the flexibility of production and the design of new forms of manipulation and processing of workpieces through the use of cooperating robots and the integration of sensors. Proof has been furnished that it is possible to use several flexible handling devices even under the conditions of automated production

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