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Standardisierte Kalibrierung und Validierung eines 6 Achs Roboters für die biomechanische Testung von Hüftgelenken
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Autoren
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Jörg Nowotny
- UniversitätsCentrum f. Orthopädie, Unfall- u. Plast. Chir., Dresden, Germany
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Michal Rychlik
- Department of Virtual Engineering, Poznan University of Technology, UniversitätsCentrum f. Orthopädie, Unfall- u. Plast. Chir., Poznan, Poland
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Georg Wendland
- IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, Dresden, Germany
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Michal Jackowski
- IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, Dresden, Germany
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Rene Drohla
- UniversitätsCentrum f. Orthopädie, Unfall- u. Plast. Chirurgie, Dresden, Germany
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Eric Tille
- UniversitätsCentrum f. Orthopädie, Unfall- u. Plast. Chirurgie, Dresden, Germany
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Achim Biewener
- UniversitätsCentrum f. Orthopädie, Unfall- u. Plast. Chirurgie, Dresden, Germany
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Klaus-Dieter Schaser
- UniversitätsCentrum f. Orthopädie, Unfall- u. Plast. Chirurgie, Dresden, Germany
| Veröffentlicht: | 26. Oktober 2021 |
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Gliederung
Text
Hintergrund: Unter den verschiedenen biomechanischen Testverfahren von menschlichen Gelenken hat der Einsatz von Robotersystemen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen und hat das Potenzial, sich in Zukunft als Goldstandard zu etablieren. Ein zentrales Problem im Zusammenhang mit diesen roboterbasierten Testmethoden ist die einheitliche Definition der Parameter wie z.B. der Tool Center Point (TCP), die Länge der Testprobe (length of tool) oder die Trajektorien von Bewegungen in den unterschiedlichen Koordinatensystemen zwischen der zu testenden Probe und dem verwendeten Robotersystem.
Fragestellung: Ist die standardisierte Kalibrierung und Validierung eines biomechanischen Testverfahrens unter Verwendung eines 6 Achs Roboters zu etablieren, um dem Anspruch einer generalisierten Anwendung ("universeller Gelenkkinemator") gerecht zu werden?
Methodik: Ein 6 Achs Roboter (TX 200, Stäubli, Schweiz) wurde installiert und konfiguriert. Die physiologischen Bewegungen des Hüftgelenkes wurden manuell durchgeführt und der vollständige Umfang mit einem optischen 3D-Bewegungs- und Deformationsanalyse System (ARAMIS, GOM GmbH, Braunschweig, Deutschland) erfasst. Die aufgezeichneten Messungen wurden im 3D-CAD-System (Rhinoceros 3D, 4.0,McNeel) verarbeitet und untersucht. Im Anschluss wurden die Koordinatensysteme der untersuchten Probe und des Roboters zusammengefügt und die Bewegung mittels 6 Achs Roboter reproduziert (Abbildung 1 [Abb. 1]). Die Präzision des Roboters, des TCP und die Länge der Testprobe (length of tool) wurde durch unterschiedliche Probenpositionierungen evaluiert.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Der physiologische Bewegungsumfang konnte mittels 6 Achs Roboter für alle Freiheitsgrade vollständig reproduziert werden. Nach der Etablierung und Kalibrierung der Koordinatensysteme(X-, Y-, Z-Achse) sowie die Kombination mit dem optischen Messverfahren konnte eine Abweichung des Tool Center Point in Abhängigkeit der Achse zwischen 0,9 und 0,3 mm und für die Länge der Testprobe (length of tool) zwischen 0,16 und 0,05 mm erreicht werden.
Mit einem 6 Achs Roboter kann die anatomische Hüftgelenksbewegung reproduzierbar rekonstruiert werden. Durch eine einheitlich und universell anwendbare Kalibrierung ist dies auch auf jedes weitere Gelenk des menschlichen Körpers übertragbar und anwendbar.
