Das Verhältnis von Arbeitsraum zu Bauraum epizyklischer Kinematiken mit sechs Freiheitsgraden / The relation of workspace and installation space of epicyclic kinematics with six degrees of freedom
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Peter P. Pott
Zusammenfassung
Hintergrund: Die Kinematik eines Roboters bestimmt maßgeblich seinen Arbeitsraum und den notwendigen Bauraum. Für den Einsatz robotischer Werkzeuge in der Medizin sind Maschinen mit möglichst kleinen Abmaßen von Vorteil.
Material und Methode: In der vorliegenden Arbeit wurden sechs Varianten einer neuartigen epizyklischen 6-DOF-Kinematik zunächst hinsichtlich ihrer Funktionalität mit der Grübler-Formel untersucht. Anschließend wurden das Arbeitsraum-Bauraum-Verhältnis quantitativ sowie die Form der Arbeitsräume qualitativ mit Hilfe von mit Matlab erstellten Algorithmen untersucht. Zum Vergleich wurde der bekannte Hexapod aufgeführt.
Ergebnisse: Alle untersuchten Kinematiken wiesen eine 6-DOF-Funktionalität auf. Es zeigte sich, dass eine Variante der epizyklischen Kinematik mit zwei parallel angeordneten 3-DOF epizyklischen Getrieben ein besonders gutes Verhältnis von Arbeitsraum und Bauraum besitzt. Dieses ist etwa viermal günstiger als das des Hexapod. Die Ausformung der Arbeitsräume der epizyklischen Kinematiken war überwiegend konvex und kompakt.
Schlussfolgerung: Es konnte gezeigt werden, dass eine neuartige epizyklische Kinematik ein sehr günstiges Arbeitsraum-Bauraum-Verhältnis hat. Damit erscheint sie besonders gut geeignet für den Einsatz in robotischen Maschinen für den medizinisch-operativen Bereich.
Abstract
Introduction: The kinematics of a robotic device significantly determines its installation space when it comes to technical realisation. With regard to the deployment of robotic manipulators in surgery, manipulators with a preferably small installation space are needed.
Materials and methods: This study describes six versions of novel epicyclic kinematics with six degrees of freedom (DOF). At first, the kinematics functionality was analysed using Gruebler's formula. Subsequently, the quantitative determination of the relation of workspace and installation space was performed using Matlab algorithms. To qualitatively describe the shape of the workspace, the Matlab visualisation features were utilised. For comparison, the well-known Hexapod was used.
Results: The assessed kinematics had 6-DOF-functionality. It became apparent that one version of the epicyclic kinematics having two 3-DOF disk systems mounted in a parallel way featured a particularly good relation of workspace and installation space. Compared to the Hexapod, this is approximately four times better. The shape of the workspaces of all epicyclic kinematics assessed was convex and compact.
Conclusion: It could be shown that a novel epicyclic kinematics has a notably advantageous relation of workspace and installation space. Apparently, it seems to be well suited for the deployment in robotic machines for surgical procedures.
©2007 by Walter de Gruyter Berlin New York
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