Drehmomentgeregelte Antriebseinheit So werden feinfühligste Robotergelenke angetrieben

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Um eine Magenspiegelung ohne Endoskopie-Schlauch zu ermöglichen, hat die Sensodrive GmbH gemeinsam mit Forschungspartnern einen sensitiven Medizinroboter entwickelt, mit dessen drehmomentgeregeltem Roboterarm sich eine winzige Kamera-Kapsel per Magnetkraft durch den Magen des Patienten bewegen lässt.

Magenspiegelungen werden bisher mit Hilfe eines Endoskopie-Schlauches durchgeführt, der über den Mund- und Rachenraum bis in die obere Magenpartie eingeführt wird. Dies empfinden die meisten Patienten als sehr unangenehm. Zudem wird aufgrund der Risiken für die Durchführung mehrjährig geschultes Personal benötigt, was bei der Terminvergabe teilweise zu langen Wartezeiten für die Patienten führt.

Die Vision – schlauchlose Untersuchung per Kamerapille

„Eine vollkommen schlauchlose Technologie entwickeln, welche die diagnostische Magenspiegelung sowohl für Patienten als auch für medizinisches Personal deutlich einfacher und komfortabler macht – das war unser Ziel beim Forschungsprojekt Nuendo“, erklärt Norbert Sporer, Geschäftsführer des Robotik-Spezialisten Sensodrive. Sein Unternehmen arbeitet seit 2020 mit der Ovesco Endoscopy AG und dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) an der Entwicklung einer schlauchlosen Kamera-Kapsel und einem sensitiven Roboterarm für deren Fernsteuerung per Magnet

Kapsel intuitiv und kabellos durch den Magen führen

Während der dreijährigen Forschung entwickelten die drei Technologiepartner den Nuendo-Medizinroboter (unternehmenseigene Schreibweise: nuEndo), mit dessen Hilfe eine schluckbare Endoskopie-Kapsel intuitiv und kabellos durch den Magen des Patienten geführt werden kann. Das Echtzeit-Bild des Mageninneren wird dabei per Funk auf einen Monitor gestreamt.

Mit einem Durchmesser von elf Millimetern und einer Länge von circa 26 Millimetern ist die Kapsel nicht viel größer als eine Tablette und kann einfach geschluckt werden. Im Magen angekommen wird die Kapsel dann mit dem im Roboterarm integrierten Magneten gekoppelt, welcher über dem Körper des Patienten positionierten ist. Sie folgt nun den Bewegungen des Magneten und kann vom Arzt durch Bewegen des Roboterarms gesteuert werden. Dazu führt der Arzt den Roboterarm an einem Griff, welcher der Kamerakapsel nachempfunden ist. Es entsteht das Gefühl, die Kapsel in der Hand zu halten.

Hightech-Roboterarm mit zwei Sensojoint-Antriebsmodulen

Für die hochpräzise, magnetgeführte Steuerung der Kapsel im Körper des Patienten kommt der von Sensodrive entwickelte Hightech-Roboterarm zum Einsatz, in dem zwei Sensojoint-Antriebsmodule (unternehmenseigene Schreibweise: SensoJoint) verbaut sind.

Die einzigartige Technologie dieser sensitiven, drehmomentgeregelten Antriebe ermöglicht dem Arzt dabei nicht nur ein absolut präzises Bewegen des Armes zur Steuerung der Kapsel, sondern gibt ihm zusätzlich auch haptisches Feedback. Der Arzt kann beim Bewegen des Roboters also beispielsweise „fühlen“, wenn die Kamera-Kapsel auf Widerstand stößt – und so noch genauer und sicherer steuern als allein auf Basis der Bilddaten.

Die ursprünglich für Cobots in der Industrie-Robotik entwickelten Sensojoint-Antriebseinheiten können ihre Vorteile hier voll ausspielen. „Mit den SensoJoints wollen wir unseren Kunden das leichteste, kompakteste, feinfühligste und sicherste Robotergelenk weltweit bieten“, erklärt Norbert Sporer. „Dafür haben wir nur High-End-Komponenten verbaut – von unseren marktführenden Drehmomentsensoren über den leistungsstarken Motor bis hin zu modernster Steuer- und Regelungstechnik. Herausgekommen ist eine einbaufertige Antriebseinheit, die in Sachen Sensitivität und Präzision ebenso Maßstäbe setzt wie mit Ihrer Kompaktheit und Leistungsstärke.“

Force-feedback für präzise und sichere Bedienung

Im Fall des Nuendo-Medizinroboters punkten die drehmomentgesteuerten Antriebseinheiten vor allem durch ihre Force-Feedback-Funktionalität. Stößt die Kamerakapsel im Magen des Patienten auf Widerstände wird diese Information über eine Feedbackschleife aus Sensoren in der Kapsel und den Sensojoints in absolut realitätsgetreues haptisches Feedback umgesetzt – welches der Arzt beim Bewegen des Roboterarms erhält. So wird ein immersives Gefühl für die nicht sichtbare Kapsel generiert. Der behandelnde Arzt „spürt“ den Widerstand in Echtzeit und kann entsprechend schnell reagieren.

Zusätzlicher Vorteil der Sensojoint-Technologie: das Eigengewicht des Roboterarms wird voll kompensiert, wodurch der Bedienende ermüdungsfrei arbeiten kann. „Dieser automatische Gravitationsausgleich und die hochsensible Steuerung machen die Sensojoints für alle Hersteller von Medizinrobotern außerordentlich attraktiv,“ sagt Norbert Sporer. „Auch stundenlange Operationen mit schweren Operationsmikroskopen lassen sich so sicher und mit höchster Präzision durchführen.

Sensitiver Antrieb für Medizinroboter als einbaufertiger Komplettantrieb

Durch den Einsatz von Sensojoints wird die Entwicklung von Medizin-Robotern schneller und günstiger. Das dreijährige, vom BMBF geförderte Nuendo-Forschungsprojekt ist 2022 ausgelaufen. Und die Ergebnisse sind so vielversprechend, dass alle Beteiligten Unternehmen die Entwicklung fortsetzen und zur Marktreife bringen wollen.

Mit dem Nuendo-Roboterarm hat Sensodrive gezeigt, dass die Sensojoint-Technologie in der Medizintechnik Maßstäbe setzten kann. Norbert Sporer betont aber auch ausdrücklich die wirtschaftlichen Vorteile, von denen Medizintechnikhersteller profitieren. „Wer heute einen sensitiven Antrieb für Medizinroboter entwickeln will, muss mit Entwicklungskosten von mehreren Millionen Euro und einem Zeitaufwand von mehreren Jahren für Entwicklung und Sicherheitszertifizierungen rechnen. Ein Sensojoint-Komplettantrieb dagegen ist einbaufertig und kann direkt in jedes Roboterkonzept integriert werden. Zudem verfügt er bereits über alle wichtigen Sicherheitszertifizierungen“ Damit dürfte der Geschäftsführer von Sensodrive im stark wachsenden Medizintechnikmarkt ein gewichtiges Argument auf seiner Seite haben.

„Neben der kabellosen Endoskopie kommt unsere Technologie bereits heute in high-end-Operationsstativen und Medizinrobotern zum Einsatz. Mit den Sensojoints ist es für Medizintechnik-Hersteller nun noch einfacher, ihre Roboter schnell und effizient auf ein neues Qualitäts-Niveau zu bringen.“

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