Design of a six degrees of freedom haptic device

Abstract

Dokunma hisli (haptik) sistemlerin gelişimi, 1950'lilerdeki açık döngülü uzaktankomutalı sistemlerden bugünkü modern dokunsal öğretim ve cerrahi destek tertibatlarınakadar süren uzun bir yol katetmiştir. Uygulama alanları minimal invaziv cerrahidenastronotlar için uzay eğitim sistemlerine kadar uzanmakta olup, yine de gelişme için geniş biralan bulunmaktadır. Çeşitli alanlarda gelişen uygulamalar dokunma hisli ara yüzler içinbirçok talep ortaya koymaktadır. Sadakat, geniş çalışma alanı ve yüksek kuvvet/torkkapasitesi bu talepler arasındadır.Bu tezde dokunma hisli ana kolun tasarımı üzerine yoğunlaşılmıştır. Sistemin dinamiközelliklerinin analizi ile oluşturulmuş mekanik sistem, elektronik donanım, ileri ve terskinematik çözümleri için algoritmalar ve algılayıcı ve eyleyici uyumu için yazılım; dokunmahisli etkileşimin alt yapısını oluşturmak için geliştirilmiştir. Her ne kadar bu tasarımda anatasarım kriterleri geniş iş alanı, yüksek kuvvet/tork kapasitesi olsa da geliştirilen altyapının birparçası olarak sadakat kriterini geliştirmek amacıyla dinamik telafi teknikleri de tezdeişlenmiştir. Tezin ana konusu dokunma hisli denetleme algoritmaların tasarımından çokdokunma hisli uygulamalar için yazılım ve donanım tasarımıdır.Tezde ilk olarak haptik arabirimler ve kol tasarım kriterleri üzerine yapılan literatürtaraması sunulmuştur. Genel ve çok amaçlı, aynı zamanda ergonomik bir kol için tasarımbelirtimleri belirlenmiştir. Newton-Euler tabanlı benzeşim teknikleri kullanılarak eyleyici vetransmisyon elemanları seçilmiştir. Haptik denetleme algoritmalarının gerektirdiği algılayıcıve denetleyici donanımı seçilmiştir. Tasarlanan manipülatör için dinamik telafi teknikleriüzerinde durulmuş ve bu teknikler benzeşim ortamında denenmiştir. Son olarak tasarlanan kolmonte edilmiş ve elektriksel bağlantıları yapılmıştır. Tez sonuçların sunulması ve tartışılmasıile sonlandırılmıştır.

From the open-loop tele-operator systems of 1950?s to the modern kinesthetic trainingand surgery support setups, haptic systems took a long way of evolution. Application areasranging from minimally invasive surgery to space training systems for astronauts, still there isa large room for improvements. The vast areas of emerging applications put a number ofdemands on haptic interfaces. Fidelity, large workspace and high force/torque capacity areamong those demands.The thesis concentrates on the design of a haptic master arm. The mechanical systemwith an analysis of dynamics properties, electronic hardware, algorithms for forward andinverse kinematics and software for the integration of sensors and actuators are developed tocreate an infrastructure for haptic interaction. Though the major design criteria applied in thisdesign are a large workspace and high force/torque capacity, dynamics compensationtechniques are also discussed as part of the developed infrastructure. The main focus of thethesis is the design of this hardware and software base for haptic applications rather than thedesign of haptic control algorithms.A survey on haptic interfaces and master arm design criteria is presented firstly. A set ofspecifications for the master arm is determined for a general and multipurpose yet ergonomicuse. Newton-Euler based simulation techniques are employed for the component selection.Sensors and controller hardware are selected according to the demands of the haptic controlproblem. Dynamics compensation techniques for the designed manipulator are considered andtested in simulation. Finally the designed master arm is assembled and electrically integrated.