ForschungForschungsprojekte
Vollaktuierter elektromagnetischer Biegeaktor für endoskopische Anwendungen

Vollaktuierter elektromagnetischer Biegeaktor für endoskopische Anwendungen

Team:  M. Sc. Svenja Spindeldreier (geb. Tappe)
Jahr:  2013
Förderung:  DFG und Caroline Herschel Programm des Hochschulbüro für ChancenVielfalt
Laufzeit:  2013-2019
Ist abgeschlossen:  ja

Innerhalb der letzten Jahrzehnte hat sich die Endoskopie zu einer wichtigen Methode für die minimalinvasive Diagnostik und Therapie entwickelt. In der Regel werden für Applikationen, wie beispielweise die Darmspiegelung, konventionelle flexible Endoskope verwendet, die als passiver Schlauch mit einem über Seilzüge abwinkelbaren distalen Ende aufgebaut sind. Diese werden manuell vom Anwender bis in das Untersuchungsgebiet vorgeschoben. Auf Grund von Wechselwirkungen mit anatomischen Strukturen kann das passive, flexible Endoskop aber das Gewebe dehnen (siehe Abbildung oben) und Schleifen bilden, was u. a. zu Schmerzen für den Patienten führt. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass der Vorschub durch Reibung am Gewebe, Engstellen oder Schleifen gehemmt wird und eine ergänzend aufgebrachte Vorschubkraft das Verletzungsrisiko anatomischer Strukturen (z. B. Perforationen des Darms) massiv erhöht. Hinzu kommt, dass für hochpräzise endoskopische Eingriffe bestehende passive Systeme keine stabile Arbeitsplattform darstellen, da die flexiblen Strukturen nur geringe Manipulationskräfte aufnehmen können. Exaktes und schnelles Arbeiten im Untersuchungsgebiet, wie etwa die präzise Entfernung von krankhaftem Gewebe, ist damit nur schwer möglich und erfordert Erfahrung des Arztes. Ähnliche Schwierigkeiten ergeben sich auch bei der Verwendung von flexiblen Endoskopen in technischen Prozessen, wie beispielsweise bei der Inspektion von Flugzeugturbinen oder Rohrsystemen. Zwar ist hier eine Abstützung an der Umgebung durch ihre höhere Steifigkeit weniger riskant, dennoch ist es wichtig, eine stabile Arbeitsplattform zu bieten und gleichzeitig eine gute Pfadverfolgung zu gewährleisten, um auch Arbeiten in schwer zugänglichen Bereichen zu ermöglichen.

 

Daher wird im Rahmen eines Gemeinschaftsprojektes am Institut für Mechatronische Systeme (imes) und am Institut für Antriebssysteme und Leistungslektronik (IAL) ein neuartiger, aktiver Endoskopschaft erforscht, der die einleitend ausgeführte Diskrepanz zwischen guter Pfadverfolgbarkeit und gleichzeitig hoher Steifigkeit herkömmlicher passiver Endoskope überwindet. Basis hierfür ist ein neuartiger, elektromagnetischer Kippaktor, der am IAL entwickelt wurde. Ziel der Arbeiten am imes es ist, durch die gezielte Hintereinanderreihung einer Vielzahl dieser Aktoren den Schaft entlang seiner kompletten Struktur aktiv bewegbar zu machen.  Damit können schlangenartige, quasi-kontinuierliche Bewegungen ausgeführt werden, wodurch u. a. Schleifenbildung verhindert werden kann (siehe Abbildung unten). Die elektromagnetische Aktuierung ermöglicht zusätzlich eine gezielte Versteifung der Gesamtstruktur, sodass dem Anwender in (medizin-)technischen Anwendungen eine höchst stabile Arbeitsplattform mit gleichzeitig guter Pfadtreue zur Verfügung gestellt werden kann.

Im ersten Schritt wird am imes die Kinematik modelliert, darauf aufbauend mögliche Arbeitsräume untersucht und daraus in enger Zusammenarbeit mit dem IAL die optimale Konstruktion sowie Anordnung der Aktoren abgeleitet. Im Anschluss daran soll ein Modell für die Beschreibung der Dynamik eines Aktors und auch einer beliebig langen Aktorkette erstellt werden. Zukünftige Aufgaben betreffen die Steuerung und Regelung der Gesamtstruktur gemäß des „Follow-the-Leader“-Prinzips, Identifikation der Modellparameter am Funktionsmuster, sowie die Miniaturisierung der Komponenten.

Weiterführende Informationen bezüglich der Forschungsinhalte können dem aktuellen Projektposter und dem Projektvideo entnommen werden: