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Tubuläre Kontinuumsroboter für die Chirurgie

Aktuierung durch Translation und axiale Rotation der Röhrchen.
Prototyp eines tubulären Kontinuumsroboters aus drei NiTi Röhrchen (Durchmesser des inneres Röhrchens 0,8mm).

Das DFG Emmy Noether Projekt CROSS beschäftigt sich insbesondere mit einer Unterkategorie der Kontinuumsroboter. Diese sind aus konzentrisch angeordneten, vorgebogenen, superelastischen Röhrchen aufgebaut. Durch Translation und Rotation jedes einzelnen Röhrchens erfolgt die Aktuierung. Typischerweise sind die Röhrchen aus der Formgedächtnislegierung NiTi (Nickel und Titan) gefertigt. Ein solcher Kontinuumsroboter ist im Durchmesser kleiner als 2,5mm und bietet gleichzeitig aber die Manipulationsmöglichkeiten eines Roboters. 

Ein wichtiger Vorteil ist die inhärente Sicherheit dieser neuen Roboterart durch die Flexibilität der verwendeten Röhrchen. Für den Chirurgen ergeben sich zusätzlich die Vorteile um Ecken und Hindernisse herum arbeiten zu können und ein freies Manipulationslumen innerhalb der Röhrchen zur Verfügung zu haben. Der Stand der Forschung ist bisher hauptsächlich auf die Erstellung genauer kinematischer Modelle und Aktuationsmechanismen beschränkt. Im Gegensatz und in Ergänzung dazu adressiert CROSS Fragestellungen der Kontinuumsrobotik mit Fokus auf die Medizintechnik und Informatik.

Arbeitspakete

Optimierung

Der modulare Aufbau eines Kontinuumsroboters aus multiplen, flexiblen, superelastischen Röhrchen hat den Vorteil, dass die Eigenschaften des Roboters applikationsspezifisch gewählt werden können. Gleichzeitig ist der Parameterraum für die Auslegung der Komponentenröhrchen mannigfaltig. Zusätzlich kann je nach medizinischer Applikation und individueller Anatomie und Pathologie des Patienten die Anforderung an den Roboter variieren.

Die komplexen mechanischen Wechselwirkungen zwischen den Röhrchen bei der Aktuierung gestalten eine manuelle, ad hoc Auswahl dieser Designparameter, insbesondere unter der Berücksichtigung anatomischer und pathologischer Anforderungen quasi unmöglich. Wir erforschen deshalb Optimierungsstrategien und -methoden um Kontinuumsroboter auf Basis von konzentrischen Nitinolröhrchen anwendungsspezifisch zu designen. Weiterhin werden Entwurfsmuster entwickelt welche die Auswahl und Komposition von Komponentenröhrchen erleichtern.

Bewegungsplanung

Die Kinematik von Kontinuumsrobotern ist komplex und ihr Konfigurations- und Arbeitsraum nicht trivial. Wir erforschen Pfad- und Bewegungsplanungalgorithmen für den sicheren Einsatz im Patienten. Dabei ist die Entwicklung von echtzeitfähigen und adaptiven Methoden von zentraler Bedeutung.

Mensch-Roboter-Schnittstelle

Kontinuumsroboter sind bionisch inspiriert und können komplexe Bewegungsmuster realisieren. Doch wie kann ein Kontinuumsroboter intuitiv  bedient werden? Wir erforschen Mensch-Roboter-Schnittstellen mit besonderem Hinblick auf den Einsatz im Operationssaal und die Bedienbarkeit für Chirurgen.

Optimierung

Der modulare Aufbau eines Kontinuumsroboters aus multiplen, flexiblen, superelastischen Röhrchen hat den Vorteil, dass die Eigenschaften des Roboters applikationsspezifisch gewählt werden können. Gleichzeitig ist der Parameterraum für die Auslegung der Komponentenröhrchen mannigfaltig. Zusätzlich kann je nach medizinischer Applikation und individueller Anatomie und Pathologie des Patienten die Anforderung an den Roboter variieren.

Die komplexen mechanischen Wechselwirkungen zwischen den Röhrchen bei der Aktuierung gestalten eine manuelle, ad hoc Auswahl dieser Designparameter, insbesondere unter der Berücksichtigung anatomischer und pathologischer Anforderungen quasi unmöglich. Wir erforschen deshalb Optimierungsstrategien und -methoden um Kontinuumsroboter auf Basis von konzentrischen Nitinolröhrchen anwendungsspezifisch zu designen. Weiterhin werden Entwurfsmuster entwickelt welche die Auswahl und Komposition von Komponentenröhrchen erleichtern.

Bewegungsplanung

Die Kinematik von Kontinuumsrobotern ist komplex und ihr Konfigurations- und Arbeitsraum nicht trivial. Wir erforschen Pfad- und Bewegungsplanungalgorithmen für den sicheren Einsatz im Patienten. Dabei ist die Entwicklung von echtzeitfähigen und adaptiven Methoden von zentraler Bedeutung.

Mensch-Roboter-Schnittstelle

Kontinuumsroboter sind bionisch inspiriert und können komplexe Bewegungsmuster realisieren. Doch wie kann ein Kontinuumsroboter intuitiv  bedient werden? Wir erforschen Mensch-Roboter-Schnittstellen mit besonderem Hinblick auf den Einsatz im Operationssaal und die Bedienbarkeit für Chirurgen.

Beteiligte LKR Wissenschafter und Studierende

Wissenschaftliche Mitarbeiter

  • M. Taha Chikhaoui (seit 02/17)
  • Vincent Modes (seit 03/16)
  • Josephine Granna (seit 02/15)
  • Ernar Amanov (seit 11/14)
  • Carolin Fellmann (11/13-03/17)

Studierende

  • Adrian Boos (Masterarbeit 2017, HiWi 06/13-02/17)
  • Yannick Vornehm (Studienarbeit 2016, Masterarbeit 2017)
  • Malte Herrmann (Masterarbeit 2017)
  • Marc Schlenker (Projektarbeit 03/15, Masterarbeit seit 03/15)
  • Michael Gens (HiWi, 03/16-11/16)
  • Malte Bormann (Projektarbeit 02/15, Diplomarbeit 01/16, HiWi seit 04/16) 
  • Florian Heilemann (HiWi seit 09/15)
  • Simone Claßen (HiWi 08/15-12/15)
  • Zechang Wang (HiWi 07/15-10/15)
  • Francesco Baumann (Masterarbeit 09/15)
  • Martin Eberwein (Masterarbeit 08/15)
  • Armel Dedjuoung (HiWi 2015/2016)
  • Nils Mangelsen (Masterarbeit 04/15)
  • Stephan Rathmann (HiWi 05/14-02/15)
  • Josephine Granna (Projektarbeit 07/14, Diplomarbeit 01/15)
  • Ernar Amanov (Masterarbeit 10/14, HiWi 12/13-07/14)
  • Timm Söhlke (Masterarbeit 08/14)
  • Svenja Fabisiak (HiWi, 02/14-07/14)
  • Ulrich Kost (Masterarbeit 03/14, HiWi 04/13-08/13)
  • Daryoush Kashi (Masterarbeit 03/14)

Prototyp: Tubulärer Kontinuumsroboter

  • 3 konzentrische NiTi Röhrchen
  • Durchmesser < 2,2 mm