Force Feedback Nutzerinterface mit zwei Freiheitsgraden zum Einsatz in einem Teleoperationssystem

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines haptischen Nutzerinterfaces mit den beiden Freiheitsgraden Greifen und Drehen für die Integration in eine Bedieneinheit zur Steuerung eines Chirurgieroboters. Dieses umfasst die Implementierung von haptischem Feedback und die Auswahl einer geeigneten Sensorik zur Messung der Positionsdaten als Sollwertvorgabe für den zu steuernden Chirurgieroboter. Dem Nutzerinterface liegt die Geometrie einer chirurgischen Pinzette zu Grunde. Die Interaktion zwischen Arzt und Nutzerinterface erfolgt über den Drei-Punkt-Präzisionsgriff, welcher sich durch eine Haltung zwischen Daumen-, Zeige- und Mittelfinger auszeichnet. Zur Darstellung des haptischen Feedbacks im Freiheitsgrad Greifen wird ein Hebel als Auflagepunkt für den Zeigefinger eingesetzt. Mit einem Seilzuggetriebe wird das Drehmoment des eingesetzten BLDC-Motors in eine statische Greifkraft von bis zu 6,3 N, entgegen der Greifrichtung, übersetzt und ausgegeben. Kurzzeitig sind Kraftspitzen bis 18,6N darstellbar. Der Greifabstand zwischen Daumen und Zeigefinger kann durch den im Motor integrierten Encoder mit einer Genauigkeit von 0,004mm bestimmt werden. Unter Berücksichtigung der Seildehnung bei Nennkraft ergibt sich ein maximaler Positionsfehler von 0,22 mm. Dynamische Kraftkomponenten können bis zu einer Grenzfrequenz von 17 Hz ausgegeben werden. Durch Rotation des gesamten Greifmechanismus wird ein haptisches Feedback im Freiheitsgrad Drehen von 100mNm bezüglich der Drehachse des Greifers generiert. Als Momentenquelle dient ein BLDC-Motor mit angekoppeltem HTD-Zahnriemengetriebe. Der Drehwinkel von +-180° wird über den motorinternen Absolutencoder mit einer Auflösung von 0,02° gemessen. Das Nutzerinterface erfüllt mit einer Gesamtlänge von 180mm und 257 g Masse die Anforderungen. Die gewünschte Ansteuerung und Messsignalauswertung erfolgt über den Faulhaber Motion Controller “MCBL 3006 AES” und ermöglicht eine stufenlose Drehmomentregelung der BLDC-Motoren mit digitaler Sensorauswertung. In einer abschließenden Charakterisierung des realisierten Labormusters konnte das zuvor simulierte Systemverhalten messtechnisch nachvollzogen werden. Dabei wurde die Funktionsfähigkeit, entsprechend den genannten Kennwerten, gezeigt