Erforschung des Gesamtverhaltens einer neuen Hybridkinematik in einem robotischen Werkzeug für knochenchirurgische Anwendungen
Final Report Abstract
Die neuartige sog. Epizaktorkinematik konnte in einem Prototypen, dem CYCLOBOT, konstruktiv umgesetzt und realisiert werden. Es stehen nun erstmalig zwei funktionsfähige Maschinen dieser Bauart zur Verfügung. Mit ihnen wurden statische und dynamische Tests durchgeführt, um ihr Verhalten zu studieren. Das Prinzip der hybriden Kinematik beruht auf der Hintereinanderschaltung von zwei gleichartigen Scheibensystemen, die als X-Y-Tische arbeiten und mit zusätzlichen Drehfreiheitsgraden ausgestattet sind. Ein verstellbares Verbindungselement verleiht der Kinematik bis zu sechs Freiheitsgraden am Tool Center Point (TCP). Es zeigte sich zunächst, dass die Fertigung der einzelnen Komponenten insbesondere der Zahnräder sehr aufwändig ist, da eine hohe Verzahnungsgüte erreicht werden sollte, als Voraussetzung für eine hohe Genauigkeit. Die durch das Prinzip bedingte Singularität in der Mitte des Arbeitsraums wurde durch eine neu entwickelte Positionsregelung mit Singularitätsvermeidung unter Berücksichtigung von Geschwindigkeitsrandbedingungen, zulässiger Toleranzen in der Positionierung und redundanter Freiheitsgrade umgangen. Die beschriebene Strategie ist auf andere robotische Systeme übertragbar Ein wichtiges Maß zur Objektivierung des Verhaltens ist das Spiel am TCP, also an der Spitze des Verbindungsstücks zwischen beiden Scheibensystemen. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen den Spielanteilen auf der Antriebsebene und dem Bearbeitungsraum wurde auf der kinematischen Ebene beschrieben, simuliert und messtechnisch charakterisiert. Die Gesamtgenauigkeit, in die neben dem Spiel auch weitere mechanische Fehlerklassen wie beispielsweise Geometriefehler und die Nachgiebigkeit in den Verbindungselementen einfließen, wurde mit Hilfe eines optischen Referenzsystems untersucht. Das dynamische Verhalten wurde in ersten Fräsversuchen überprüft und zeigte das Verbindungselement als Schwachstelle wenn Bearbeitungskräfte entstehen. Allerdings konnten Trajektorien im kraftfreien Fall in verschiedenen Raumebenen reproduzierbar ausgeführt und analysiert werden. In einer theoretischen Fehlerfortpflanzungsbetrachtung und in numerischen Simulationen ergab sich das Phänomen, dass durch eine Schrägstellung des Verbindungselementes in bestimmten Bereichen und unter bestimmten Annahmen eine z.T. wesentliche Spielreduktion am TCP erzielt werden kann. Die Ergebnisse bedürfen noch weiterer Validierung. Dennoch macht dieses Resultat die untersuchte Kinematik attraktiv für Positionieraufgaben etwa in Form von Führungshilfen für chirurgische Instrumente. Der CYCLOBOT wurde zur Montage an dem Knochen konzipiert, der bearbeitet werden sollte. Das Element zur Verbindung besteht aus einer neuartigen zusätzlichen „Kinematik", welche über kugelförmige magnetische Elemente an Knochenschrauben angedockt werden kann. Der Aufbau und sein Konzept kann grundsätzlich und allgemein zu Montage von technischen Aufbauten an Knochen genutzt werden (bone mounted), da es den anatomischen Bedingungen angepasst werden kann, wie sie intraoperativ auftreten.
Publications
- Novel hybrid Kinematics with small Dimensions and large Workspaces make Medical Robots convenient for Orthopaedic Surgery. Berlin CARS 2011
Pott P., Heute S., Weiser P., Wagner A., Badreddin E., Schwarz MLR.
- „Kinematics-based position control of the 6-DOF surgical robot epizactor", 11th Annual Meeting of CAOS-lnternational, London, UK, 2011
Wagner A, Nordheimer E, Merscher M, Heute S, Weiser HP, Pott PP, Badreddin E, Schwarz MLR
- Hierarchical Constraint-Based Singularity Avoidance. 16th International Conference on System Theory, Control and Computing (ICSTCC), Sinaia, Romania, October. 12-14, 2012
Wagner, A., E. Nordheimer and E. Badreddin
