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Die Erfindung betrifft einen Aktor, wie beispielsweise einen künstlichen Muskel, der so eingerichtet ist, dass er eine präzise Bestimmung seiner Position bzw. Auslenkung ermöglicht.
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Chirurgische Instrumente mit integrierten Antrieben haben ein großes Potential für die Erhöhung der Flexibilität, Bedienbarkeit und Ergonomie von laparoskopischen Instrumenten in der robotischen Chirurgie. Viele Aktorprinzipien, die hierfür in Frage kommen, haben keinen statischen Zusammenhang zwischen Weg und Stellgröße (z.B. Antriebe aus Formgedächtnislegierungen, künstliche Muskeln, pneumatische Antriebe, hydraulische Antriebe mit hochflexiblen Leitungen, ...). Um diese Antriebe auf eine definierte Position bringen zu können, ist eine Ist-Positionsrückführung notwendig.
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Instrumente für die laparoskopische Chirurgie werden bisher meistens über Seilzüge angetrieben, wo, ausreichende Steifigkeit und Spielfreiheit vorausgesetzt, ein statischer Zusammenhang zwischen Stellung des Bedienelementes oder Weg des außenliegenden Aktors und Position des Instrumentes besteht. Herkömmliche Methoden zur Messung von Wegen und Winkeln (z.B. Potentiometer, linear variable Differentialtransformatoren, optische oder magnetische Inkremental- oder Absolutwertgeber) sind sehr schwer in dem begrenzten Platzangebot der Instrumentenspitze eines laparoskopischen Instruments unterzubringen und benötigen zwingend zusätzliche Komponenten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aktor anzugeben, der es ermöglicht, die Position bzw. Auslenkung des Aktors präzise zu bestimmen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Aktor nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zur Messung der Auslenkung eines Aktors nach Anspruch 12. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Aktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens an.
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Erfindungsgemäß wird ein Aktor angegeben, der einen flexiblen Schlauch aufweist, und zumindest einen Anschluss, über den ein Fluid in den Schlauch einbringbar ist. Unter einem Schlauch wird hierbei ein sich länglich entlang einer Schlauchachse erstreckendes Objekt verstanden, dass flexibel ist, sodass es mit der Schlauchachse biegbar ist. Wird der Schlauch so eingerichtet, dass die Schlauchachse gerade ist, so kann vorzugsweise der Schlauch zylinderförmig sein. Der Schlauch kann in seinem Inneren einen Kanal aufweisen, der koaxial zur Schlauchachse verläuft.
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Vorzugsweise ist die Flexibilität des Schlauches derart, dass der Schlauch bei Erhöhung des Innendruckes gegenüber dem Außendruck seinen Radius zumindest bereichsweise vergrößert. Der Radius ist hierbei die Ausdehnung des Schlauches senkrecht zur Schlauchachse.
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Erfindungsgemäß weist der Aktor zumindest einen Anschluss auf, über den Fluid in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist. Das Fluid ist hierbei bevorzugt in den Kanal im Inneren des Schlauches einbringbar.
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Darüber hinaus weist der Aktor ein Geflecht auf, welches den Schlauch entlang dessen Umfang auf zumindest einem Teil dessen Länge umgibt. Optimal liegt das Geflecht auf einer Außenseite des Schlauches auf. Ist der Schlauch gerade, so kann vorzugsweise das Geflecht eine Zylinderform beschreiben.
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Ein vorteilhaftes Beispiel eines solchen Aktors is als „McKibben Artificial Muscle“ bekannt. Dessen Funktion wird zum Beispiel in „Measurement and Modeling of McKibben Pneumatic Artificial Muscles", Ching-Ping Chou et al, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 12, No. 1, S. 90ff modelliert. Aus 1 in dieser Veröffentlichung kann man sehr einfach den Zusammenhang zwischen radialer Verformung und Kontraktion herleiten, unter Annahme uniformer Verformung über der Länge: L2 + (n·pi·D)2 = b2. n ist dabei die Zahl der Umschlingunen (Windungen) eines einzelnen Drahts, D der Durchmesser des Geflechts, L seine Länge und b die Länge des Drahtes. Dieser Zusammenhang wurde auch bei der Herleitung der Formel für die Induktivitätsänderung wie unten angegeben verwendet.
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Vorzugsweise ist das Geflecht so beschaffen, dass es, wenn es in radialer Richtung ausgedehnt wird, sich in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Schlauchachse, zusammenzieht. Bevorzugterweise kann das Geflecht eine Struktur einer Doppelhelix haben.
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Erfindungsgemäß weist das Geflecht Draht auf oder besteht daraus. Unter einem Geflecht wird im Rahmen dieses Dokumentes eine aus Fasern gebildete flächige röhrenförmige Struktur verstanden. Die Fasern können sich zumindest teilweise kreuzen oder ohne sich zu kreuzen nebeneinander angeordnet sein. Insbesondere sollen auch sich nicht kreuzende, um den Schlauch gewickelte Fasern als Gewebe verstanden werden. Das Geflecht kann aus Draht als Faser gebildet sein, oder es kann aus einer anderen Faser gebildet sein. Der Draht kann dabei optional mit der anderen Faser verwoben sein, oder er kann als Spule um den Schlauch gewickelt sein.
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Das Geflecht kann ein „Schlauchgeflecht“ sein und kann vorteilhaft wie in
1 in
EP 0685676 A2 gezeigt ausgestaltet sein. Das Geflecht kann dabei vorteilhaft eine beliebige Anzahl von parallel rechts- und/oder linksumlaufenden, spiralartig gewickelten Fäden bzw. Drähten aufweisen. Vorteilhafterweise kann bei jeder Überkreuzung mal der eine, mal der andere Faden oben, also in radialer Richtung außen, laufen. Vorzugsweise geschieht das abwechselnd, muss aber nicht unbedingt sein.
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Ein relevanter Parameter kann der Steigungswinkel der Spiralen sein. Er bestimmt die Kinematik und damit den Zusammenhang zwischen radialer Dehnung und longitudinaler Kontraktion. Üblicherweise ist er für alle Drähte gleich und über der Länge konstant, das muss aber nicht unbedingt sein.
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Wenn man eine Spule als einen nicht unterbrochenen, umlaufend gewickelten Draht versteht, dann ist eine einlagige Spule ein entartetes Geflecht mit nur einem Faden. Auch eine Spule soll daher als Geflecht verstanden werden. Eine mehrlagige Spule kann als ein Geflecht aus einem durchgängigen Faden ohne alternierende Lage (immer gleicher Draht oben) verstanden werden. Die bevorzugte Variante, ein alternierendes Geflecht, kann z.B. aus einzelnen Drähten hergestellt sein, deren Enden an den Enden des Schlauches offen bleiben und vorteilhafterweise so verschaltet werden, dass sie eine oder mehrere „Spulen“ ergeben. Was eine „Spule“ hierbei kennzeichnet, ist, dass wenn man einem Leitungspfad folgt, dieser immer den gleichen Umlaufsinn erfährt. Das heißt, dass an den Enden vorteilhafterweise jeweils rechtslaufende mit linkslaufenden Drähten verbunden werden. Auf diese Weise haben alle Spulen einen gleich gerichteten magnetischen Fluss, so dass sich die Indktivität verstärkt.
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Bevorzugterweise weist das Geflecht eine Mehrzahl von entlang ihrer Länge gegeneinander isolierten Drähten auf. Dass die Drähte entlang ihrer Länge gegeneinander isoliert sind, heißt dabei, dass jene Stellen der Drähte gegeneinander isoliert sind, an denen Drähte im Geflecht aufeinander aufliegen. Die Drähte können jedoch an ihren Enden elektrisch miteinander verbunden sein und insbesondere als Teil einer Verschaltung miteinander verbunden sein.
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Bevorzugterweise sind die gegeneinander isolierten Drähte so miteinander verschaltet, dass die gesamte Induktivität des Geflechtes vergrößert ist gegenüber der Induktivität eines einzelnen Drahtes.
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Der besagte Schlauch kann vorteilhafterweise ein Formgedächtnislegierung aufweisen oder daraus bestehen. Auch kann der Schlauch vorteilhaft Kunststoff aufweisen oder daraus bestehen. Diese Materialien gewährleisten in besonders geeigneter Weise die Flexibilität des Schlauches.
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Vorteilhafterweise kann der Schlauch selbst mit einer Isolationsschicht dort überzogen sein, wo das Geflecht auf ihm aufliegt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Schlauch selbst ein elektrisch leitendes Material aufweist. Die Isolationsschicht ist also dabei zwischen dem Schlauch und dem Geflecht angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist der besagte Anschluss, über den Fluid in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist, in einer Stirnfläche des Schlauches angeordnet. Der Anschluss erstreckt sich also koaxial zur Schlauchachse durch die Öffnung des Schlauches in den Schlauch hinein. Der Anschluss kann dann eine zur Schlauchachse koaxiale Bohrung aufweisen, durch welche das Fluid in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist.
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Der erfindungsgemäße Aktor kann vorteilhafterweise außerdem zumindest einen Verschluss aufweisen, mit dem der Schlauch an zumindest einem Ende fluiddicht abgeschlossen ist. Ist in der einen Öffnung des Schlauches, wie oben beschrieben, der Anschluss untergebracht, so kann der Verschluss vorteilhaft in der anderen Öffnung des Schlauches, diese verschließend, angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Schlauch mit dem ihn umgebenden Geflecht mittels zumindest einer Schelle verbunden sein, die sowohl das Geflecht als auch den Schlauch umgibt und das Geflecht mit dem Schlauch zusammendrückt. Eine derartige Schelle kann beispielsweise eine Klemmschelle oder eine Pressschelle sein. Auf diese Weise kann eine sichere Verbindung zwischen dem Schlauch und dem Geflecht hergestellt werden, so dass die Kontraktion des Geflechtes in axialer Richtung bei Ausdehnung in radialer Richtung zu einer Kontraktion des Schlauches in axialer Richtung führt. Vorteilhafterweise die zumindest eine Schelle so angeordnet, dass sie den Anschluss umgibt. Sie drückt also das Geflecht und den Schlauch auf den Anschluss. Entsprechend kann auch eine Schelle vorgesehen sein, die den Verschluss umgibt und das Geflecht und den Schlauch auf den Verschluss drückt.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Geflecht in einen Schlauch eingebettet sein, beispielsweise, indem es in einen Kunststoff des Schlauches eingegossen wird. Auch ein entsprechendes Verkleben ist möglich.
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Der erfindungsgemäße Aktor ist mit einer Vorrichtung zur Messung einer Induktivität des Geflechtes verschaltbar. Das bedeutet, dass er zumindest einen elektrischen Anschluss aufweist, über den eine elektrische Verbindung mit der entsprechenden Messvorrichtung herstellbar ist. Auf Aktorseite ist der zumindest eine Anschluss vorteilhafterweise mit dem Draht des Geflechtes elektrisch kontaktiert, da dessen Induktivität für die Induktivität des Geflechtes ausschlaggebend ist. Wie eine Induktivität gemessen werden kann, ist dem Fachmann bekannt. Alle entsprechenden Verfahren können auch hier zur Anwendung kommen. Die Vorrichtung zur Messung der Induktivität kann auch selbst Teil des erfindungsgemäßen Aktors sein.
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Das genannte Fluid kann vorteilhaft Hydraulikflüssigkeit sein, besonders bevorzugt Kochsalzlösung, körperverträgliches Silikonöl oder Gas wie z.B. Luft, da hierdurch das Risiko für den Patienten bei Einsatz in chirurgischen Anwendungen minimiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren angegeben, mit dem die Auslenkung eines Aktors messbar ist. Dabei hat der Aktor selbst die oben beschriebene Struktur.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Die dabei beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein und unter den Beispielen miteinander kombiniert werden.
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Es zeigt
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1 ein Schnittbild eines beispielhaften erfindungsgemäßen Aktors,
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2 die relative theoretische eine gemessene Induktivitätsänderungen in Abhängigkeit von der relativen Längenänderung bei einer Zylinderspule als einfaches Modell für das erfindungsgemäße Geflecht,
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3 einen Versuchsaufbau zur Evaluierung des erfindungsgemäßen Prinzips.
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1 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen Aktors. Der Aktor weist einen flexiblen Schlauch 1 sowie einen Anschluss 2 auf, über den Fluid in den Schlauch eindringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist. Der gezeigte beispielhafte Aktor weist außerdem einen Verschluss 3 auf, mit dem der Schlauch 1 an seinem dem Anschluss 2 gegenüberliegenden Ende fluiddicht abgeschlossen ist.
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Der Anschluss 2 ist mit dem Schlauch mittels einer Schelle 4 verbunden. Dabei steckt der Anschluss 2 bereichsweise im Inneren des Schlauches 1 und die Schelle 4 umgibt den Schlauch in einem Bereich, in welchem der Anschluss 2 im Inneren des Schlauches 1 vorliegt und drückt den Schlauch 1 gegen eine Außenwand des Anschlusses 2.
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Entsprechend steckt auch der Verschluss 3 am gegenüberliegenden Ende teilweise im Inneren des Schlauches 1. In diesem Bereich wird der Schlauch 1 mittels einer weiteren Schelle 5 auf den Verschluss 3 gedrückt. Auf diese Weise wird der Schlauch 3 im Schlauch 1 festgehalten.
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Der erfindungsgemäße Aktor weist im gezeigten Beispiel außerdem ein Geflecht 6 auf, welches den Schlauch 1 umgibt. Das Geflecht weist hierbei Draht auf oder besteht daraus. Insbesondere kann das Geflecht eine Mehrzahl von entlang ihrer Länge gegeneinander isolierten Drähten aufweisen, die besonders vorteilhaft so verschaltet sein können, dass die Gesamtinduktivität erhöht ist gegenüber der Induktivität eines einzelnen Drahtes. Das Geflecht kann beispielsweise eine Struktur einer Doppelhelix haben. Es ist im gezeigten Beispiel ebenfalls schlauchförmig.
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Sowohl der Anschluss 2 als auch der Verschluss 3 erstrecken sich durch die entsprechenden Stirnöffnungen des Geflechts 6 in das Innere des Geflechtes 6. Der Anschluss 2 wird mittels einer Schelle 7 mit dem Geflecht 6 in einem Bereiche nahe des Endes des Geflechtes 6 zusammengedrückt. Der Verschluss 3 wird mit dem Geflecht 6 durch eine weitere Schelle 8 nahe dem gegenüberliegenden Ende des Geflechtes 6 zusammen gedrückt. Sowohl der Anschluss 2 als auch der Verschluss 3 weisen hinter der jeweiligen Schelle 7 bzw. 8 in Richtung dem Inneren des Geflechts 6 einen Bereich mit vergrößertem Radius auf, der das Geflecht 6 von der Oberfläche des Schlauches 1 und auch der Oberfläche der Schellen 4 und 5 beabstandet.
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Der Anschluss 2 weist koaxial zur Zylinderachse des Anschlusses 2 und zur Schlauchachse des Schlauchs 1 eine Bohrung 9 auf, die sich vom außenliegenden Ende des Anschlusses 2 bis zum gegenüberliegenden Ende des Anschlusses im Inneren des Schlauches 1 erstreckt, durch welche Fluid in den Schlauch einbringbar und aus dem Schlauch ableitbar ist.
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Der gezeigte Aktor kann als hydraulischer Hochdruckmuskel angesehen werden. Die abgestufte Form des Anschlusses und des Verschlusses dienen zur definierten Positionierung des Schlauches 1 und des Geflechtes 6. Durch die axiale Positionierung der Bohrung 9 ist der Aktor besonders kompakt realisierbar. Da für die Anwendung in der minimal invasiven Medizin Drücke von bis zu 50 bar notwendig sind, kommen vorteilhafterweise metallische, korrosionsbeständige Werkstoffe zum Einsatz. Die Verwendung von Schellen erlaubt eine ausreichende Befestigung des Schlauches und des Geflechts auch bei kleinen Durchmessern von beispielsweise < als 5 mm. Es können beispielsweise spezielle angefertigte Klemm-/bzw. Pressschellen verwendet werden. Bevorzugt können Klemmschellen aus Formgedächtnislegierungen verwendet werden, bei denen der Einwegeffekt dieser Materialien ausgenutzt wird.
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Der Schlauch kann vorteilhaft ein Kunststoff- oder Formgedächtnisröhrchen sein. Dieses dehnt sich bei einer Druckbeaufschlagung aus. Unter Ausnutzung des superelastischen Effektes von Formgedächtnislegierungen können bei großer Materialfestigkeit große Verformungen erreicht werden. Vorteilhafterweise ist das Röhrchen mit einer Isolationsschicht überzogen, um die beschriebene Wegmessung verwenden zu können. Besonders vorteilhaft sind die Drähte mit einer Isolationsschicht überzogen. Das Geflecht kann die Struktur einer Doppelhelix haben, wenn eine ausreichende Stabiliät gewährleistet ist. Das Geflecht kann vorteilhafterweise so ausgestaltet sein, dass sich der Aktor bei Druckbeaufschlagung radial ausdehnt und axial zusammenzieht.
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Das Geflecht weist vorteilhafterweise mehrere umlaufende Drähte aus. Jeder dieser Drähte kann hierbei näherungsweise als Zylinderspule angesehen werden. Verknüpft man die Drahtenden an den Enden des Muskels korrekt, lassen sie sich zu einer Spule höherer Induktivität kombinieren. Durch die Änderung des Radius und der Länge dieser sich ergebenden Spule ändert sich auch ihre Induktivität. Diese lässt sich damit als Maß für die Position des Aktors verwenden.
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Für die Induktivität L einer Zylinderspule gilt näherungsweise
Dabei bezeichnet N die Windungszahl, µ
0 die Permitivität des Vakuums, µ
r die Permitivitätszahl des Spulenkerns, A die Querschnittsfläche der Spule und l die Länge der Spule. Da die Spule bzw. das Geflecht bei einer Verlängerung dünner wird, ist A eine Funktion der Längenänderung Δl. würde sich der Durchmesser der Spule homogen über die Länge ändern, würde bei Erhalt des kreisförmigen Querschnitts und der Länge der Drähte der kinematische Zusammenhang
gelten, wobei l
0 und r
0 die ursprüngliche Länge bzw. den ursprünglichen Radius bezeichnen.
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Permeabilitätszahl 1.
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Zwischen der relativen Änderung der Induktivität ∆L/L
0 und der relativen Längenänderung ∆l/l
0 der Spule besteht der Zusammenhang
wobei a die Zahl der Drähte, N die Gesamtzahl der Windungen und r
0 den Radius des Geflechtes für ∆l/l
0 = 0 bezeichnet. Mittels dieses Zusammenhanges kann auch direkt auf die Längenänderung der Spule geschlossen werden.
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Der theoretische Zusammenhang ist in 2 als schwarze Linie ohne Messpunkte gezeigt, wobei von l0 = 47.5 mm und L0 = 18.2713 µH ausgegangen wurde.
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Ein Versuchsaufbau zur Evaluierung des Prinzips ist in den 3 gezeigt. Dabei weist das Geflecht 6 Lackdraht auf, der um den Schlauch 1 gewickelt ist.
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3 zeigt im linken Teilbild den Aktor im normalen Zustand und im rechten Teilbild im gestauchten Zustand. Es wurde hier das Geflecht verschoben, wobei es näherungsweise die gleiche Verformung erfährt wie bei einem Aufpumpen des Schlauches.
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2 zeigt die an dem in 3 gezeigten Prototyp mittels eines Impedanzanalysators gemessene relative Änderung der Induktivität ∆L/L0 [%] in Abhängigkeit von der relativen Änderung der Spulenlänge ∆l/l0 [%] als graue Linie mit Messpunkten, wobei von l0 = 47.5 mm und L0 = 18.2713 µH ausgegangen wurde. Eine derartige Abhängigkeit kann für jeden erfindungsgemäßen Aktor festgestellt werden und dann dazu verwendet werden, einer gemessenen Induktivität eindeutig eine Auslenkung bzw. Länge des Aktors zuzuordnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Measurement and Modeling of McKibben Pneumatic Artificial Muscles“, Ching-Ping Chou et al, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 12, No. 1, S. 90ff [0010]
gelten, wobei l0 und r0 die ursprüngliche Länge bzw. den ursprünglichen Radius bezeichnen.
