Hydraulischer schlangenartiger Roboter für die Endoskopie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Seel, seit 3/2023; Professor Dr.-Ing. Jan Stallkamp
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433586601

Endoskopische Verfahren für Diagnostik und Therapie verändern die Medizin nachhaltig. Interventionen können damit minimalinvasiv erfolgen und sind dadurch nicht nur effizienter (d.h. kostengünstiger und schneller) geworden, sondern auch die Rekonvaleszenzzeit wurde minimiert. Für einen erfolgreichen Eingriff müssen zwei wichtige Faktoren erfüllt sein: Um schwer zugängliche Gebiete erreichen zu können, ist eine gute Manövrierbarkeit nötig. Im Zielbereich erfordert der Eingriff eine hohe Struktursteifigkeit, um Manipulationskräfte aufnehmen zu können und dem Arzt eine feste Arbeitsplattform zur Verfügung zu stellen. Heutige Endoskope können jedoch nicht beide Anforderungen gleichzeitig erfüllen. Es werden entweder rein starre oder rein flexible Endoskope verwendet, äußerst selten sind -- selbst in der Forschung -- versteifbare Mechanismen anzutreffen. Neuartig für die Endoskopie ist der im DFG-Projekt „Vollaktuierter elektromagnetischer Biegeaktor für die Endoskopie“ vorgestellte Ansatz, der durch Hyperredundanz eine hohe Anpassungsgüte an gekrümmte Pfade erlaubt und durch die elektromagnetische Aktuierung, und damit verbundenen hohen Haltemomenten, eine besonders gute Manipulationsbasis bietet. Durch die elektromagnetische Betätigung ergeben sich nur zwei stabile Kipppositionen. Diese schränken die Positionierbarkeit des Systems jedoch ein und erschweren einen Einsatz im medizinischen Umfeld. Basierend auf diesen Vorarbeiten, soll hier ein hydraulisch aktuiertes, schlangenartiges Endoskop erforscht werden. Im Vordergrund steht dabei ein Kippaktor, der verschiedene Vorteile vereint: Die hydraulische Druckbeaufschlagung zweier um eine Kippachse angeordneter, antagonistischer Bälge ermöglicht die Einstellung von unterschiedlichen Kippwinkeln, was die Positioniergenauigkeit des Endoskops deutlich erhöht. Bei einem geeigneten Aktordesign, einer geschickten Anordnung der Bälge und Ansteuerung der Ventile können außerdem unterschiedliche Systemsteifigkeiten erreicht werden. Durch eine hohe Anzahl von Aktoren kann neben der zeitlichen auch eine örtlich veränderliche Nachgiebigkeiten erreicht werden, was eine Grundvoraussetzung für eine anatomieoptimale Anpassung bei gleichzeitiger Bereitstellung einer steifen Arbeitsplattform für den Arzt darstellt. Bei Wahl eines biokompatiblen Fluids sowie eines medizinisch vertretbaren Systemdrucks ist der reale Einsatz in der Klinik zudem aussichtsreich.In diesem Projekt sollen daher zunächst das Aktordesign erforscht, rechnergestützt modelliert und experimentell evaluiert werden. Außerdem erfordert ein Endoskop aus einer Vielzahl von Einzelaktoren ein gut miniaturisierbares und sicheres hydraulisches Versorgungskonzept. Die Bewegungsplanung soll insbesondere die Adaption der Steifigkeit berücksichtigen, wodurch eine kinematische wie auch dynamische Modellierung des Gesamtsystems nötig ist. Alle Modelle und Methoden werden anhand eines Demonstrator experimentell evaluiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerinnen / Ehemalige Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tobias Johannes Ortmaier, bis 5/2021; Dr.-Ing. Svenja Spindeldreier, von 5/2021 bis 3/2023