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Servoantrieb Fühlen, was der Roboter macht

Mit mechanischen Impulsen hilft das Force-Feedback-Interface dem Operateur dabei, die Tätigkeit des Endoskopie-Roboters im Körperinneren zu fühlen. Die Konstruktion forderte leichte Kleinstantriebe.

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Das Nutzerinterface ist wie eine Pinzette aufgebaut, mit zwei Freiheitsgraden zum Greifen und Drehen. Es wird mit Daumen, Ziege- und Mittelfinger gesteuert.
Das Nutzerinterface ist wie eine Pinzette aufgebaut, mit zwei Freiheitsgraden zum Greifen und Drehen. Es wird mit Daumen, Ziege- und Mittelfinger gesteuert.
(Bild: Faulhaber/Klug)

Miniaturisierte Endoskopie-Roboter erlauben heute Operationen an unzugänglichen Stellen und ohne große Hautschnitte. Vielen Chirurgen genügt es allerdings nicht, das Operationsfeld nur durch eine Kamera zu sehen und den Roboter fernzusteuern. Sie möchten fühlen, was sie und der Roboter dabei machen. Zu diesem Zweck hat Master-Student Florian Klug der TU Darmstadt ein Force-Feedback-Nutzerinterface entwickelt, das als Schnittstelle zwischen der Hand des Operateurs und dem Endoskopie-Roboter dient. Diese Handsteuerung arbeitet ähnlich wie ein Joystick. Zusätzlich gibt es aber auch eine mechanische Rückmeldung, was das gesteuerte Instrument tatsächlich macht. So vermittelt das Nutzerinterface dem Operateur das Gefühl, selbst die Instrumente zu führen.

Pinzette mit zwei Freiheitsgraden

Das Nutzerinterface ist wie eine Pinzette aufgebaut, mit zwei Freiheitsgraden zum Greifen und Drehen. Daumen und Mittelfinger greifen die Pinzette; der Zeigefinger bewegt einen Hebel, der mittels eines Seilzuggetriebes mit der Welle eines Elektromotors gekoppelt ist. Ein weiterer Motor ist für die Drehbewegung zuständig. Als Antriebe dienen bürstenlose Gleichstrommotoren von Faulhaber mit hochauflösenden Encodern. In Kombination mit den bürstenlosen 4-Pol-DC-Servomotoren ermöglichen diese eine exakte Kommutierung und eine optimale Positions- und Drehzahlregelung.

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Die Auswertung der Encodersignale und die Ansteuerung des Roboters übernimmt ein auf die DC-Servomotoren abgestimmter Motion Controller. Der Einachs-Positionierregler eignet sich für alle Anwendungen, die eine hohe Auflösung beim Positionieren und eine sehr präzise Drehzahlregelung erfordern. Die Elektronik muss neben der Ansteuerung der Motoren auch die Stromregelung übernehmen, damit genau definierte Drehmomente stufenlos ausgegeben werden können. Über eine RS232-Schnittstelle wird die Elektronik dazu mit einer Software programmiert und ausgelesen.

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