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Zukunftsthemen der Robotik

Fortsetzung

 

Roboter mit OP-Funktionen

 

Im Bereich Medizinrobotik ist zudem das »MIRO Innovation Lab« (MIL) angesiedelt, das neue Anwendungsfelder in der Medzinrobotik erschließt. So lassen sich im MIL das technologische Know-how des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik mit der Expertise von klinischen Partnern, Industrieunternehmen und anderen Forschungseinrichtungen verknüpfen - zum Anstoß früher Innovationen bis hin zur Entwicklung von Prototypen.

Der DLR-Medizinroboter MIRO ist nach dem DLR-KineMedic die zweite Generation der am Institut für Robotik und Mechatronik entwickelten, vielseitig einsetzbaren Roboterarme für medizinische Anwendungen. MIRO ist ein leichter, kinematisch redundanter, vollständig drehmomentgeregelter Roboterarm, mit einem Nutzlast-zu-Eigengewicht-Verhältnis von 1:3. Durch das geringe Eigengewicht von 10 kg und der mit einem menschlichen Arm vergleichbaren Größe kann MIRO einem Chirurgen direkt am OP-Tisch assistieren, eben dort, wo Platz knapp ist. Die Bandbreite an möglichen Anwendungen dieses Roboterarms reicht vom Führen einer Lasereinheit für das exakte Schneiden von Knochenmaterial in der Orthopädie über das Setzen von Pedikelschrauben und roboterassistierte Endoskopführung bis hin zu minimal invasiver Chirurgie.

 

Präzision und Flexiblität

 

Robotersysteme in der Chirurgie lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: spezialisierte und vielseitig einsetzbare Systeme. Spezialisierte Systeme sind entweder auf eine spezielle chirurgische Technik oder die Behandlung eines spezifischen medizinischen Leidens hin ausgerichtet. Im Gegensatz dazu sieht der Designansatz des DLR MIRO und des Vorgängermodells KineMedic vor, einen kompakten, schlanken Leichtbauroboterarm als vielseitig einsetzbare Kernkomponente für verschiedene existierende oder zukünftige robotergestützte Prozeduren in der Medizin zu entwickeln.

Durch den Einsatz von spezialisierten Instrumenten und durch Modifikationen der Anwendungsworkflows in der Roboterregelung kann der MIRO bei vielen verschiedenen chirurgischen Eingriffen verwendet werden. Diese Vielseitigkeit wird durch das Design des Roboterarmes selbst sowie durch die Flexibilität der Regelungsarchitektur des Roboters erreicht.

Die kinematische Redundanz der sieben drehmomentgeregelten Gelenke ermöglicht ein flexibles OP-Setup und kann zur Vermeidung von Kollisionen mit anderen Robotern oder OP-Ausrüstung genutzt werden. Alle Gelenkeinheiten enthalten sowohl Positions- als auch Drehmomentsensoren. Dadurch kann der Roboter impedanzgeregelt verwendet werden, was eine feinfühlige Bewegung des Roboters durch den Chirurgen ("Hands-on Robotik") sowie die Vermeidung unbeabsichtigter Kollisionen erlaubt. Für sehr präzise Manipulation ist alternativ auch ein positionsgeregelter Betrieb des Roboters möglich.

Die enge Zusammenarbeit mit einem technischen System erfordert ein Verstehen dieses Systems. Daher ist ein zentraler Designaspekt des MIRO Roboters die inhärente Vorhersagbarkeit der Systemhandlungen für den Benutzer. Um dies zu erreichen, wurde eine serielle Kinematik mit sieben Freiheitsgraden, welche denen des menschlichen Arms ähneln, entwickelt und für medizinische Eingriffe optimiert. Die gewählte Robotermorphologie gliedert den MIRO in Schulter (roll-pitch-yaw), Oberarm, Ellenbogen (pitch-roll), Unterarm und Handgelenk (pitch-roll). Innerhalb der drei Gelenkeinheiten schneiden sich jeweils die Achsen der einzelnen Freiheitsgrade.

Der Medizinroboter MIRO stellt ein hochgradig integriertes mechatronisches System dar. Neben Motoren, Getrieben und Sicherheitsbremsen enthält der Roboterarm noch Drehmoment- und Positionssensoren, Leistungselektroniken und programmierbare Elektronikkomponenten in jedem Gelenk. Die verschiedenen Gelenkelektroniken sind über einen Hochleistungskommunikationsbus verbunden, was ein Auslagern der Gelenkregelung in externe Versorgungsmodule erlaubt.

Zusätzlich zur klassischen Robotersteuerung entlang einer geplanten Trajektorie, kann der Roboter auch den Soft Robotics Ansatz zur Erfüllung von Aufgaben nutzen. Mit Hilfe der integrierten Drehmomentsensorik kann er impedanzgesteuert und schwerkraftkompensiert betrieben werden. Dies erlaubt es dem Benutzer, direkt mit dem Roboter zu interagieren, da alle externen Kräfte und Momente erfasst und in den Regelungsalgorithmen berücksichtigt werden.

 

Engineering für die Digitalisierung

 

Das »System Control and Innovation Lab« (SCIL) des DLR-Instituts für Systemdynamik und Regelungstechnik ist eine weitere Schnittstelle zwischen Forschung und Industrie und widmet sich dem Industriebereich Digitaler Zwilling und virtuelle Produktenwicklung. Speziell kleine und mittlere Unternehmen erhalten in diesem Innovationslabor Zugang zu den neuesten Entwurfstechnologien und Software-Tools für die Modellierung, Steuerung und Regelung komplexer, mechatronischer Systeme. Dabei wird die gesamte Bandbreite technischer Anwendungen abgedeckt. In SCIL-Projekten können die KMUs nachhaltig Expertenwissen im Digital Engineering aufbauen und so ihren Wettbewerbsvorteil sichern.

 

Quelle: DLR, www.dlr.de  Bearbeitung: Wolfgang Klinker Klinker@industry-focus.info

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Für Anwendungen in der Medizintechnik entwickelte das DLR als »zweite Generation« den Roboter MIRO.

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Robotersysteme für den Einsatz in der Chirurgie werden in die zwei Hauptgruppen  spezialisierte und vielseitig einsetzbare Systeme eingeteilt.. Während spezialisierte Systeme  für spezielle chirurgische Techniken oder  Behandlungen  ausgerichtet sind, werden Roboter wie der Designansatz MIRO des DLR als kompakte, schlanke Leichtbauroboterarme  für verschiedene existierende oder zukünftige robotergestützte Prozeduren in der Medizin entwickelr. Alle Abbildungen: (C) DLR

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Ein Mitarbeiter im zweiarmigen haptischen Interaktionsgerät HUG

Das haptisches Interaktionsgerät HUG stellt auftretende Kräfte möglichst realistisch an den Menschen dar – eine Anforderung aus den Bereichen der Telemanipulation und der Interaktion mit komplexen virtuellen Welten, insbesondere bei der Telerobotik mit SpaceJustin, bei Montagesimulationen in der virtuellen Welt, bei der Rehabilitation und beim Training von Astronauten und Mechanikern.

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