Μοντελοποίηση και έλεγχος απτικού εξομοιωτή ασθενών δυνάμεων 5 βαθμών ελευθερίας

Παπαναγιώτου, Δημήτριος-Λυκούργος

dc.contributor.author	Παπαναγιώτου, Δημήτριος-Λυκούργος	el
dc.date.accessioned	2019-05-20T09:31:03Z
dc.date.available	2019-05-20T09:31:03Z
dc.date.issued	2019-05-20
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48790
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16291
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μοντελοποιήση	el
dc.subject	Έλεγχος δύναμης	el
dc.subject	Απτικός μηχανισμός	el
dc.subject	Force Control	el
dc.subject	Haptic Device	el
dc.subject	PID Control	el
dc.title	Μοντελοποίηση και έλεγχος απτικού εξομοιωτή ασθενών δυνάμεων 5 βαθμών ελευθερίας	el
dc.title	Modeling and force control of 5 degrees of freedom tactical simulator of weak forces	en
dc.contributor.department	Μηχανολογικών Κατασκευών & Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ	el
heal.classification	Robotics in medicine	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/989f7eb5ce955dbf96b4eebf1ff0aaec33f7e858
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh95001354
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-26
heal.abstract	Οι απτικοί μηχανισμοί, οι οποίοι βασίζονται στην τεχνολογία επικοινωνίας ανθρώπου και ρομπότ χρησιμοποιώντας την αίσθηση της αφής, είναι ένας ταχέως αναπτυσσόμενος τομέας με εφαρμογές που κυμαίνονται από την τηλε-ρομποτική, την ψυχαγωγία και την εκπαίδευση μέχρι ρεαλιστικούς προσομοιωτές για την κατάρτιση και το σχεδιασμό περίπλοκων χειρουργικών διαδικασιών. Οι ιατρικές επεμβάσεις συχνά περιλαμβάνουν την χρήση της αίσθησης της αφής για τον χειρισμό οργάνων ή ιστών μέσω ειδικών εργαλείων. Οι συμβατικές μέθοδοι επεμβάσεων στοχεύουν να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα της εκπαίδευσης και της κατάρτισης των εκπαιδευόμενων γιατρών. Χρειάζεται ένα παρατεταμένο διάστημα εκπαίδευσης ώστε ένας ειδικευόμενος γιατρός να αντιληφθεί την πολυπλοκότητα και τους κινδύνους σχετικά με τις πραγματικές επεμβάσεις. Έρευνες αποδεικνύουν πως χρειάζονται τουλάχιστον 750 επεμβάσεις ώστε ένας γιατρός να αποκομίσει την κατάλληλη εμπειρία για να εκτέλεση μια επέμβαση σωστά. Οι εικονικοί προσομοιωτές χειρουργικών επεμβάσεων έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν αξιόπιστες και επαναλαμβανόμενες εμπειρίες μάθησης σε ένα ασφαλές περιβάλλον, επιτρέποντας έτσι στους εκπαιδευόμενους να βελτιώσουν σταδιακά τις δεξιότητες τους και τελικά να είναι σε θέση να χειριστούν πραγματικές χειρουργικές επεμβάσεις. Αρχικά οι προσομοιωτές παρείχαν αποκλειστικά περιήγηση σε τρισδιάστατο περιβάλλον με μοναδικό ερέθισμα αυτό της όρασης. Οι απτικοί μηχανισμοί όμως έχουν εξελιχθεί σημαντικά και θεωρείται πως βελτιώνουν αισθητά την εκπαίδευση καθώς επιτρέπουν την αλληλεπίδραση του χρήστη με το εικονικό περιβάλλον προσθέτοντας την αίσθηση της αφής κατά την διάρκεια της προσομοίωσης. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την εξέλιξη του απτικού εξομοιωτή ασθενών δυνάμεων που κατασκευάστηκε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής του Κωνσταντίνου Βλάχου στο εργαστήριο αυτομάτου ελέγχου της σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου υπό την επίβλεψη του καθηγητή Ευάγγελου Παπαδόπουλου. Η εξέλιξη του μηχανισμού περιλαμβάνει τα παρακάτω στάδια: Αρχικά, αξιολογήθηκαν οι ανάγκες που υπήρχαν από πλευράς εξοπλισμού ώστε να επανέλθουν λειτουργικά όλοι οι βαθμοί ελευθερίας του μηχανισμού. Έπειτα, στα πρότυπα ενός πλαισίου ηλεκτρονικού υπολογιστή κατασκευάστηκε ένα κουτί όπου και τοποθετήθηκαν όλες οι ηλεκτρονικές διατάξεις για τον εύκολο και ασφαλή χειρισμό της συσκευής. Παράλληλα παρουσιάζεται ολοκληρωμένα η κινηματική ανάλυση του πρωτότυπου μηχανισμού ο οποίος έχει κατασκευαστεί για να παρέχει την απτική ανάδραση του εξομοιωτή. Στην συνέχεια έγινε η μοντελοποίηση του απτικού μηχανισμού μέσω της μεθόδου Ελατήριο – Μάζα – Αποσβεστήρας. Με τον ίδιο τρόπο μοντελοποιήθηκε και ο αισθητήρας δύναμης που χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή των δυνάμεων και των ροπών που αισθάνεται ο χρήστης. Κατόπιν, παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίον καταγράφονται οι μετρήσεις του αισθητήρα δύναμης μέσω του Matlab καθώς και η μέθοδος που αυτά φιλτράρονται. Η μοντελοποίηση ολόκληρου του συστήματος έγινε στο Simulink όπου εφαρμόστηκε και ο γραμμικός έλεγχος ο οποίος αποτελεί το κύριο αντικείμενο της εργασίας. Βασική συμβολή της παρούσας έρευνας είναι η επέκταση του ελέγχου δύναμης στους 5 βαθμούς ελευθερίας του μηχανισμού. Τέλος, για την επίτευξη του στόχου που τίθεται για προσομοίωση πραγματικού χρόνου χρησιμοποιείται το toolbox του Matlab που ονομάζεται Real – Time και περιγράφεται εκτενώς.	el
heal.abstract	Haptic mechanisms, based on the technology of human and robot interaction using the tactile sensation, are a rapidly growing field with applications ranging from tele-robotics, entertainment and education to realistic simulators for the training and design of complex surgical procedures. Medical procedures often involve the use of tactile sense to manipulate organs or tissues by using special tools. Conventional medical interventions aim to address the problems of educating and training residents. These procedures usually take extended time to learn so as to complications and risks in relation to the actual surgical procedures. Research shows that a minimum of 750 operations are needed to acquire sufficient experience to perform medical procedures correctly. Virtual surgery simulations are able to provide reliable and repeatable learning experiences in a safe environment, thus allowing the trainees to gradually improve their skills and eventually be capable of handling real – life procedures. Initially, the simulators only provided a three-dimensional viewing experience with only the visual feedback. However, tactile mechanisms have evolved considerably and are thought to improve training dramatically as they allow the user to interact with the virtual environment by adding tactile sensation during simulation. This diploma thesis deals with the evolution of the haptic simulator of weak forces that was constructed in the context of the PhD thesis of Konstantinos Vlachos in the Control System Laboratory of the School of Mechanical Engineering of the National Technical University under the supervision of Prof. Evangelos Papadopoulos. The evolution of the mechanism includes the following stages: Initially, the equipment needs were evaluated in order to restore all the degrees of freedom of the mechanism. Then, in the standards of a computer chassis a box, which contains all the electronics parts, was constructed for easy and safe handling of the device. At the same time, the kinematic analysis of the prototype mechanism, that has been constructed to provide the tactile feedback of the simulator, is presented. The modeling of the haptic mechanism was made using the Spring - Mass - Demister method. In the same way we modeled the force sensor used to capture the forces and the torques that the user feels. Then, the way that the measurements of the force sensor are recorded and filtered through Matlab is presented. The modeling of the entire system was done in Simulink where the linear control, which is the main object of my thesis, was implemented. A key contribution of this research is to extend force control to the 5 degrees of freedom of the mechanism. Finally, in order to achieve the goal for Real Time Simulation, the Matlab toolbox called Real - Time is described extensively.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	147
heal.fullTextAvailability	true