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MEDICARE-C: Modeling, Enhanced Design, Identification and Control of Autonomous Robotic Endoscopes & Catheters

Integrated Position and Force Control for Hyper-Redundant and Piecewise-Continuous Endoscopic/Catheter-type Robotics Platforms

Project Leader, Principal Investigator: Assoc. Prof. Dr. Pinar Boyraz

Objective of the Project:

This project aims toward developing a more autonomous, intelligent and safer robotic endoscope/catheter with more controllability, perception and movement-capability. Through development of novel solutions in each aspect, the cardiovascular operations are selected as the main domain, however the prototypes will be designed as proof of concepts for generic robotic-endoscopes or catheters. With its holistic and concurrent design approach, the project aims to obtain solutions that can be easily modified to domain-specific design problems in surgical robotics.

The Aims of the Project:

Smart robotic sleeve for enhanced sensing/ perception (sensor design)

One of the core aims of this projects is to develop a novel tactile unit with the capability of sensing not only the pressure/force but also the texture of the environment and possibly the relevant friction coefficient. This unit is called smart robotic sleeve and it will be developed for rather challenging geometries such as tubular and rounded surfaces of various medical devices. The pressure and force is important to guide/navigate the robotic catheter in a torturous environment as well as diagnosing the abnormal tissue impedance due to tumors, blood-clotting or various other anomalies. The recognition of texture can be used for diagnosis purposes, and the friction coefficient estimation can help the navigation algorithm to work better by precise regulation of the insertion force.

Modular and hyper-redundant robotic backbone for Increased maneuver capability- mobility-modularity (mechanical design)

Another important aim is to apply modularity in robotic catheter backbone design to obtain high maneuverability in a compact and re-configurable structure. The modular structure can enhance the balance between the need for a compliant and soft structure for safety and the need for a stiff/rigid structure for the force insertion when it is necessary. The backbone will be controlled by remotely controlled tendons or on-site smart-actuators.

Artificial Muscles for high performance-compact actuation (actuator design)

The project also aims to develop artificial-muscle like structures for compact yet efficient actuation based on smart-materials. These structures are co-designed with robotic sleeve and the back-bone structure for a perfect integration. In order to realize this part of the project, the cable actuation with variable stiffness through spring structures, pre-shaped Dielectric Polymers (DP), Electro-active Polymers (EAP) or SMA based artificial muscle designs will be explored. 

Increased controllability-partial or full autonomy (controller design)

The final aim of the project is to develop control algorithms for the combined force and position control of the robot during the insertion process to avoid tissue damage. The idea behind this is to have the impedance control when necessary so that the robot can insert the correct level of force at the distal end. Eventually, the aim is to have a fully autonomous and safe robotic platform requiring minimum input or intervention from the surgeons.

With the successful production of a full-prototype and through demonstrations of the developed aspects in perception, actuation and control, this project will pave the way to solve some of the generic problems in surgical robotics and help to obtain partially or fully automated surgical processes with more precise and safer operation.

 Gefördert von: Alexander von Humbold Stiftung

Handwerker-Kraftassistenzsystem mit adaptiver Mensch-Technik-Interaktion ("Dritter Arm")

Bearbeitung: N. N.
Laufzeit: 3 Jahre
Förderung durch: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Beschreibung

Das Projektvorhaben widmet sich der Entwicklung eines Assistenzsystems zur Unterstützung bei Arbeiten mit schweren Elektrowerkzeugen. Grundlage ist dabei eine mechatronische Konstruktion ("3. Arm"), die am Körper des Nutzers über eine Tragekonstruktion befestigt ist. Neben der physischen Unterstützung erfüllt das System kognitive Assistenzfunktionen. Somit dient das System einerseits der Arbeitserleichterung (Reduktion der auf Arme und Schulter wirkenden Kräfte) und andererseits der Steigerung der Arbeitseffizienz und Arbeitsqualität.

Das Konsortium setzt sich aus insgesamt fünf Projektpartnern zusammen:

Das imes ist zusammen mit dem Institut für Regelungstechnik unter dem Dach des Mechatronik-Zentrum Hannover mit einem gemeinsamen Teilvorhaben beteiligt. Das Teilvorhaben widmet sich folgenden wissenschaftlichen Herausforderungen: Einerseits werden Methoden zur 3D-Lokalisierung erarbeitet, die auch unter den Randbedingungen unsicherer Modelle, Sensorabschattung und Messungen in einem bewegten Referenzsystem hochgenaue Ergebnisse liefern. Andererseits werden Konzepte erforscht, die es erlauben, eine robuste Situations- und Absichtserkennung für eine anwenderorientierte Assistenzfunktion mit Anpassung an den gewünschten/erforderlichen Unterstützungsgrad darzustellen. Die Ergebnisse finden Anwendung in einem Handwerker-Assistenzsystem, das das Arbeiten mit Elektrowerkzeugen erleichtert, die Effizienz erhöht und die Qualität verbessert. Für das Gesamtsystem "3. Arm" sollen folgende Funktionen umgesetzt werden:

  • Kraftunterstützungsfunktion mittels einer mechatronischen Konstruktion zur Lastreduktion und zur Verringerung der Ermüdung. Um eine lange Energieautonomie des Systems zu erreichen und die Zusatzbelastung des Nutzers durch das System gering zu halten, müssen sowohl das Eigengewicht des Unterstützungssystems minimiert werden (Stichwort Leichtbau) als auch die Einhaltung ergonomischer Randbedingungen sichergestellt werden.
  • Augmentierungsfunktion mittels Projektion relevanter Nutzdaten (z. B. Unterputzobjekte) und Handlungsanweisungen (z. B. Bohrlochschablone) im Arbeitsraum des Nutzers.
  • Führungsfunktion mittels Fusion proprio- und exterozeptischer Messdaten, eines haptischen Interfaces, adaptiven Regelungs- und Interaktions-Funktionen (z. B. Positionierungshilfe zur Einhaltung von Bohrlochabständen /-höhen).

Während sich das Institut für Regelungstechnik insbesondere der Kraftunterstützungsfunktion sowie der Mensch-Technik-Interaktion widmet, befasst sich das imes im Wesentlichen mit der Erforschung, Umsetzung und Implementierung der Augmentierungs- und Führungsfunktion.