Forschungsthemen

Piezo-Aktorik

Der inverse piezoelektrische Effekt kann auf verschiedene Weise zu Erzeugung einer Bewegung genutzt werden. Im einfachsten Fall wir direkt die Längenänderung einer entsprechenden Keramik im elektrischen Feld genutzt. Da dies jedoch selbst bei Stapelung von Keramikscheiben und Elektroden nur zu Längenänderungen im Promillebereich führt, wird weltweit seit etwa 30 Jahren an alternativen Ideen gearbeitet. Besonders sog. Ultraschallmotoren eignen sich dazu, mit den kleinen, kraftvollen Bewegungen der Piezokeramik im kHz-Bereich makroskopische Bewegungen zu erzeugen. Im Allgemeinen wird mit einer Piezokeramik eine zweidimensionale Strukturschwingung erzeugt, die mittels Reibschluss die Bewegung eines entsprechenden Maschinenteils erzeugt. Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über den Stand der Technik.

 

 

Ziel der Arbeit ist die Erstellung einer Übersicht über die verschiedenen Prinzipien.

Die Arbeit im Bereich der Piezoaktorik unterteilt sich in verschiedene Unterprojekte.

AdRIA

Im Rahmen des LOEWE-Zentrums AdRIA (Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz – Adapronics – Research Innovation Application) wird ein Piezomotor entwickelt, dessen Bewegungen lautlos (im Ultraschallbereich) sind und dessen Struktur die inhärent, d.h. sensorlose Messung der Vorschubskraft bzw. des Drehmoments und des zurückgelegten Wegs erlaubt.

Als Ansatz wird ein Motorprinzip gewählt [Devos 2004], dass eine Unterscheidung der Vorschubs- und Anpresskräfte erlaubt. Mit Hilfe einer Brückenschaltung kann dann ein Drehmomentproportionales Spannungssignal abgegriffen werden. Dies wird mit einer FPGA-Schaltung ausgewertet und dargestellt. Zukünftige Arbeiten sehen die Integration in einen geschlossenen Regelkreis für adaptronische Systeme vor.

Im Rahmen des LOEWE-Zentrums AdRIA sind verschiedene adaptive passive Schwingungstilger entstanden. Ziel war es, eine möglichst hohe Funktionsintegration zu erreichen. Dazu wurde zunächst ein diskreter Aufbau aus mechanischer Konstruktion, Platinen-integrierten Piezo-Wanderwellenmotor und Mikro-Controller-Platine gewählt (DA S. Chang).

 

In einem zweiten Schritt wurde dann der mechanische Aufbau inkl. Federn und Verstellmechanismus, der Wanderwellenmotor nebst Ansteuerung, der Mikro-Controller und die Beschleunigungs- und Wegsensorik in eine einzige Platine integriert (SA A. Jäger).

NEPIA

Die Leistungsdichte von kleinen Piezoantrieben ist bemerkenswert gut im Vergleich zu elektrodynamischen Motoren. Dennoch ist die Effizienz bei der Umsetzung der eingespeisten elektrischen Leistung in Kraft und Geschwindigkeit üblicherweise im einstelligen Prozentbereich. Ziel des Projekts NEPIA (New energy-efficient PIezo Actuators) ist es, den Energiefluss in einem Antriebssystem zu analysieren und zu optimieren. Hierbei werden sowohl die Keramik selber als auch die Motorkinematik, der Reibkontakt und nicht zuletzt die Leistungselektronik untersucht.

WimPi

Zur Übertragung der Schwingungsamplitude von Piezokeramiken auf einen Läufer oder Rotor steht neben dem Kraft- oder Reibschluss der Formschluss zur Verfügung. umfangreiche Vorarbeiten am EMK haben gezeigt, dass es möglich ist, leistungsfähige Schrittmotoren auf dieser Basis aufzubauen. Nichtsdestotrotz ist die Herstellung von Mikroverzahnungen aufwändig und die Leistung stark vom Verschleisszustand abhängig. Als Alternative bietet sich der Wimperantrieb an, der auf einem richtungsabhängigen Reibkoeefizienten zwischen Stator und Rotor beruht. Im Projekt WimPi (Wimperantrieb auf Piezobasis) sollen die Vorteile der monolithischen Hebelkinematik zur Amplitudenvergrößerung mit den Eigenschaften der Wimper-Oberflächen zu kombinieren und zu optimieren.

Medizintechnik

Am Institut EMK werden zahlreiche medizintechnische Projekte bearbeitet, neben der (medizin-)robotischen Komponente steht hier vor allem die Haptik im Vordergrund. Besondere Nennung verdienen die Projekte INKOMAN (Intrakorporaler Manipulator) und HAPCATH (Haptischer Catheter).

BORESCOPE

Das Projekt BOrEScOPE - BiOnisches ExoSkelett für die OrthoPädische ChirurgiE (BMBF 16SV5773K) hat die Entwicklung eines robotischen Exoskelettes zum Ziel, das am Arm bzw. Rücken des Operateurs befestigt wird. Dieser bionische Arm „kennt“ die Zielregion und führt den Operateur an diese Stelle. Außerdem ist die Lage und Orientierung der Zieltrajektorie im Knochen bekannt. Ändert der Knochen seine Lage, kann das am BOrEScOPE befestigte Instrument diesen verfolgen. Es ist somit eine Stabilisierung des Werkzeuges gegenüber dem Knochen sowie eine Tremorkompensation der Chirurgenhand möglich. Außerdem können vorprogrammierte Tasks ausgeführt werden und das Gewicht des Bearbeitungswerkzeuges und des menschlichen Arms selbst zumindest teilweise kompensiert werden, was zu einem ermüdungsfreien Arbeiten führt.

FLEXMIN

Im DFG-finanzierten Projekt FLEXMIN wird ein Telemanipulator mit haptischen Feedback für die Chirurgie im Bauchraum entwickelt. Dabei wird ein single-incision-System aufgebaut, das in einem Rohr von 40 mm Durchmesser integriert ist und auf parallelkinematischen Mechanismen sowohl für den intrakorporalen Manipulator als auch für das haptische Display beruht.

EMULSIFIKATOR

Im Projekt EMULSIFIKATOR wird die Emulsifizierung einer getrübten Linse im Rahmen der Kataraktchirurgie untersucht. Dazu wurde ein Prüfstand entwickelt, mit dem die unterschiedlichen Einflussfaktoren auf die Emulsifizierung untersucht werden können. Bei der Emulsifizierung wird eine Hohlnadel mit einem Piezoelement zu einer Ultraschallschwingung angeregt. Die Nadel ist damit in der Lage, Gewebe zu zerstören, das dann abgesaugt werden kann. Dieser Vorgang ist von zahlreichen Parametern abhängig. Dazu zählen die Amplitude der Nadel, die Schwingungsform und die Geometrie der Spitze.

Zurückliegende Projekte

Zurückliegende Projekte am Labor für Biomechanik und experimentelle Orthopädie (Leiter Prof. Dr. med. Markus L. R. Schwarz, Orthopädisch-Unfallchirurgisches Zentrum, Universitätsmedizin Mannheim, Fakultät für Medizin Mannheim, Universität Heidelberg) beschäftigen sich vor allem mit Medizinrobotik.

Im Projekt http://www.umm.uni-heidelberg.de/inst/biomechanik/robotikundnavigation.htmlITD wurde ein handgehaltener Operationsroboter entwickelt, der mit Hilfe von CT-Daten programmierte Frästrajektorien im Knochen realisiert. Der Roboter basiert auf einer mit elektrischen Linearmotoren aktuierten Parallelkinematik und wird direkt in der Hand des Benutzers gehalten. Er gleicht unerwünschte Störungen aus der Hand sowie Bewegungen des Patienten aus und stabilisiert somit das Bearbeitungswerkzeug im Patientenkoordinatensystem. Zur Orientierung im Raum dienen ein optischen sowie ein Inertialtrackingsystem. Das Projekt wurde mit zahlreichen Preisen bedacht und die Idee ist international im Patentierungsverfahren.

Im Projekt CYCLOBOT wurde ein knochenmontierter Roboter entwickelt, der zur Ausfräsung beliebiger Trajektorien während Implantationsoperationen genutzt werden kann. Der Roboter basiert auf der neuartigen, so genannten „Epizaktor“-Kinematik, die sich durch ein besonders vorteilhaftes Arbeitsraum-Bauraum-Verhältnis auszeichnet. Die hybride Kinematik nutzt ausschließlich rotierende Bewegungen zur Realisierung von Bewegungen in sechs Freiheitsgraden. Das Projekt wird zusammen mit dem Lehrstuhl für Automation der Universität Heidelberg durchgeführt.

ASSROB ist ein Assistenzroboter zur Unterstützung während orthopädisch-chirurgischer Eingriffe. Weitere INformationen hier: link

MERODA ist eine Datenbank, die ein Abbild des internationalen Stand der Technik im Bereich der Medizinrobotik widerspiegelt. Die Datenbank basiert auf Recherchen, die im Rahmen der o.g. Projekte unternommen wurden und wird ständig erweitert. Derzeit umfasst die Datenbank ca. 500 Einträge. Sie kann nach Projektnamen, medizinischer Disziplin, verantwortlichem Institut sowie Herkunftsland sortiert werden und gibt für jedes Projekt einen kurzen Überblick hinsichtlich der Funktion, technischer Details und weiterführender Literatur.

 

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

Mikrotechnik

Dr. rer. nat. Peter Pott

S3/06 136
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

+49 6151 16-5296
+49-(0)6151/16-4096

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