Positions- und Kraftmessung in vier Freiheitsgraden an der Kinematik eines haptischen Displays zur VR-Arthroskopiesimulation

Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Positions- und Krafterfassung an einem Kniegelenk-Arthroskopie-Simulator. Das Gerät dient dazu, angehenden Ärzten das Üben der Kniegelenk-Arthroskopie zu ermöglichen. In einer Workstation wird mit Hilfe der Virtual Reality (VR) der Kniebinnenraum nachgebildet. Ein nachgeschalteter PC übernimmt die Regelung von vier Motoren, die über eine Seilzugmechanik der Hand in vier Freiheitsgraden (drei Drehungen, eine Verschiebung) einen Eindruck von den auftretenden Kräften geben. In verschiedenen Vorgängerarbeiten ist der mechanische Aufbau des Simulators sowie eine Regelung für die Motoren entstanden. Für die Regelung ist es nötig, genaue Informationen über die Position des Handgriffes sowie über die auf die Hand wirkenden Kräfte zu erhalten. In einer Vorgängerarbeit ist eine Messung der Kräfte und Momente entwickelt worden, die in der vorliegenden Arbeit überarbeitet wurde. Für die Positionserfassung wurden ein- bzw. dreigängige Präzisionspotentiometer der Firma Megatron verwendet, die sich durch hohes Auflösungsvermögen und kleine Linearitätsschwankungen auszeichnen. Die Winkel um die x- und y-Achsen werden direkt am Kardangelenk gemessen. Dabei wird ein Winkel von 90° bzw. 105° erfaßt: Der Meßbereich liegt zwischen 0° und 270°. Die Positionsmessung in z-Richtung befindet sich direkt hinter dem Getriebe des betreffenden Motors, die lineare Bewegung kann so durch Bestimmung eines Drehwinkels von maximal 382° mit einem dreigängigen Drehpotentiometer erfaßt werden. Die Kraftmessung erfolgt mit Dehnungsmeßstreifen der Firmen Measurment-Electronics und Hottinger-Baldwin-Meßtechnik. Die Momente Mx, My werden an einem Biegerohr ermittelt, das am Übergang vom Kardangelenk zum Führungsrohr eingefügt ist. Die Kraft Fz wird an einem im Handgriff integrierten Biegebalken gemessen. Das Moment um die z-Achse wird durch Torsionsmessung der Führungswelle ermittelt; hier konnte nur eine Halbbrücke verwendet werden, da der zur Verfügung stehende Bauraum Grenzen setzte. Die theoretische Auflösung von Mz konnte in Messungen nicht erreicht werden. Technische Daten: * Meßbereich Positionsmessung: - x: 0°-90° Auflösung: 0,05° - y: 0°-105° Auflösung: 0,05° - z: 0°-270° Auflösung: 0,05° - Sz: 0-12cm Auflösung: 1mm * Auflösung Kraft-/Momentenmessung: - Mx: Auflösung 0,2Ncm, Querempfindlichkeit 1,47% - My: Auflösung 0,2Ncm, Querempfindlichkeit 1,47% - Mz: Auflösung 0,5Ncm - Fz: Auflösung 0,25