Piezoantriebe

Einsatz bei der MRT

Piezoantriebe erhöhen die Behandlungsqualität. Bei der Behandlung von Gehirntumoren standen Chirurgen bisher vor einem Dilemma: Sie konnten entweder mittels Magnetresonanztomographie (MRT) hochauflösende Bilder vom Tumor machen oder den Tumor mit präzisen chirurgischen Werkzeugen entfernen. Beides ließ sich nicht miteinander kombinieren. Das dürfte sich jetzt jedoch ändern: Das Worcester Polytechnic Institute (WPI) entwickelt zurzeit einen Operationsroboter, der auch im starken Magnetfeld eines MRT-Scanners arbeiten kann. Piezoelektrische Antriebe spielen dabei eine wichtige Rolle.

Beim Operationsroboter kommen piezoelektrische Motoren zum Einsatz, die auch in den starken Magnetfeldern von MRT-Scannern funktionieren. (Bild: Worcester Polytechnic Institute)

Der neuartige Operationsroboter, der für den Einsatz innerhalb eines MRT-Geräts konzipiert ist, kann bildgeführt das chirurgische Werkzeug exakt an einer Stelle des Tumors positionieren. Das Resultat sind bessere Ergebnisse beim Eingriff und damit ein höherer Behandlungserfolg und Patientennutzen. Die Entwicklung stellte das WPI-Team um Professor Greg Fischer allerdings vor beachtliche Herausforderungen. In der Chirurgie müssen die Werkzeuge präzise, reproduzierbar und mit hoher Auflösung positioniert werden, um exakte Ergebnisse zu erzielen. Sie dürfen keine elektrischen Störgrößen produzieren, müssen sehr zuverlässig sein und – im Fall des MRT-Roboters – obendrein auch noch in mehreren Tesla starken Magnetfeldern funktionieren. Kombinationen aus elektromagnetischen Motoren und Getrieben kamen deshalb nicht infrage; die Wahl fiel stattdessen auf ein piezobasiertes Positioniersystem, denn Piezoantriebe sind die einzigen Antriebe, die sich von starken Magnetfeldern nicht in ihrer Funktion beeinträchtigen lassen und selbst auch nicht zur Störquelle werden.

Anzeige

Piezoelektrische Aktoren basieren auf einem piezoelektrischen Keramikmaterial, das sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Allerdings beträgt die durch diesen Piezoeffekt hervorgerufene Auslenkung nur den Bruchteil eines Prozents der Bauteilgröße. Beim MRT-Roboter war jedoch ein linearer Verfahrweg von bis zu ca. 100 Millimeter und eine kontinuierliche Drehung um 360 Grad erforderlich. Die Lösung fand das WPI-Team in den Piezo-LEGS-Motoren von Piezo Motor, einem Unternehmen der Faulhaber-Gruppe. Sie wurden für “Move-and-hold”-Anwendungen entwickelt, bei denen Präzision, minimaler Bauraum, niedriger Energieverbrauch und einfaches technisches Design wichtige Faktoren sind. Durch ihre Funktionsweise ist der Stellweg theoretisch unbegrenzt: Aus piezoelektrischen Biegewandlern aufgebaut, reagieren sie beim Anlegen einer Spannung unsymmetrisch mit Ausdehnen oder Zusammenziehen. Sie werden als abwechselnde Paare angeordnet und entsprechend angesteuert können sie dann eine Antriebsstange in Nanometerschritten mit Geschwindigkeiten von bis zu 15 mm/s bewegen, also diese quasi immer weiter „durchreichen“. Bei Rotationsbewegungen wird auf die gleiche Weise eine Scheibe in eine entsprechend schnelle Drehung versetzt. Dabei sind die Aktoren selbsthemmend, verbrauchen im ausgeschalteten Zustand keine Energie, erwärmen sich nicht und halten die Position mechanisch stabil.

Der MRT-Operationsroboter verspricht die chirurgischen Behandlungsmöglichkeiten zu revolutionieren (Foto: Worcester Polytechnic Institute)

Translatorische und rotatorische Bewegungen
Zum Erzeugen der linearen Bewegung für den Einstich ins Gewebe verwendet das WPI-Team eine Kombination aus Piezo-LEGS-Linearmotoren in einem Direktantrieb. Als Antrieb für die Aluminiumspindeln sind Piezo-LEGS-Drehmotoren im Einsatz. Die Drehbewegung wird dabei über Riemenscheiben übertragen, die im 3D-Druck erzeugt werden. Für die Piezoantriebe ist es kein Problem, die durch die eingesetzten Materialien entstehende Reibung zu überwinden. „Wir kommen mit einem Piezomotor in einem Direktantrieb oder mit einer Riemenscheibe mit einer niedrigen Untersetzung zurecht und brauchen keine Untersetzungsverhältnisse in der Größenordnung von 100:1, wie es bei einem kleinen DC-Motor erforderlich wäre“, erklärt Prof. Greg Fischer.

Die piezoelektrischen Aktoren benötigen nur sehr kleine leitfähige Elektroden, die in der MRT-Umgebung nichtmagnetisch und eisenfrei sein müssen. Für diese Anwendung genügte das allerdings nicht. Denn auch alle elektrischen Störgrößen, die durch die Stromversorgung oder die Antriebselektronik verursacht werden, können das Bild verfälschen, was dem eigentlichen Zweck widersprechen würde. „Häufig entstehen Artefakte wie bei statischen Entladungen, die das Bild verfälschen“, berichtet Fischer. „Objekte erscheinen dann nicht dort, wo man sie eigentlich erwarten würde. Und das ist ein sehr großes Problem, wenn man versucht, einen Eingriff anhand der Bildgebung durchzuführen.”

PiezoLEGS-Antriebe für translatorische Bewegungen. (Foto: Piezo Motor)

Daher entwickelte das Team ein individuelles Steuerungspaket für den Betrieb von piezoelektrischen Motoren im MRT-Scanner. Es basiert auf einem FPGA (feldprogrammierbares Gate-Array), schnellen Digital-Analog-Wandlern und breitbandigen Hochspannungs-Linearverstärkern. Externe Filter unterdrücken eventuelle Störungen, und eine Encoder-Rückführung ermöglicht eine Positions- oder Geschwindigkeitsregelung mit einem Single-Board-Mikrocontroller, auf dem eine Echtzeit-Regelungssoftware läuft. Die modulare Backplane, die bis zu acht dieser Boards aufnehmen kann, ist in einem einzigen abgeschirmten Gehäuse untergebracht, das sich im MRT-Scanner-Raum mit dem Roboter befindet. Ein anwendungsspezifischer Kabelbaum verbindet den Controller mit dem Roboter, bei dem dann entsprechend bis zu acht Achsen angesteuert werden können.

Vereinfacht wurde dieses doch recht komplexe Projekt dadurch, dass die linearen und rotatorischen Piezomotoren als Stand-alone-Komponente sofort erhältlich waren. „So konnten sich die Studenten voll auf die Entwicklung der Mechanik und des Controllers konzentrieren”, erinnert sich Fischer. Für die Zukunft hat das WPI-Team allerdings noch einiges vor: Fischer verfolgt das Ziel, eine Toolbox zu schaffen, mit der sich MRT-kompatible Roboter entwickeln lassen, die mit den entsprechenden Sensoren, Aktoren, Controllern und Verstärkern ausgestattet sind und über Kommunikationsprotokolle gesteuert werden können. „In der Industrie braucht man nur eine SPS oder einen Motor bzw. einen Encoder, wie sie im Handel erhältlich sind, miteinander zu kombinieren, und schon hat man ein funktionsfähiges System”, meint Fischer. “So etwas gibt es für medizintechnische Geräte nicht, und erst recht nicht für MRT-Anwendungen.” ee

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Kabeldurchführung

Ab durch die Führung

RSP hat den Ciro - Circular Rotator vorgestellt, eine Kabeldurchführung für mehr Flexibilität des Roboters. Der Ciro sitzt an der sechsten Achse des Industrieroboters. Die Kabel und Schläuche, die häufig eine Störkontur darstellen und einen Roboter...

mehr...

Kommissionierung

Der Roboter bringt Entlastung

Kommissionierung von Plattenwerkstoffen. Der Fertighausexperte Fingerhaus hat die Kommissionierung und Sortierung von Plattenwerkstoffen automatisiert. Hier ist ein ABB IRB 6650S mit einer speziellen Vakuumlastaufnahme im Einsatz.

mehr...
Anzeige

Offene Steuerungstechnik für die Intralogistik

Als Spezialist für PC-based Control zeigt Beckhoff auf der LogiMat, wie Logistikanwender mit einer offen konzipierten Automationsplattform noch flexibler auf Markttrends reagieren und Logistikabläufe optimieren können. Mit den modularen und skalierbaren Automatisierungs- und Antriebstechnikkomponenten lassen sich auch komplexeste Intralogistikszenarien umsetzen.

mehr...

Delta Roboter

Roboter aus der Box

Einfache Aufgaben schnell, leicht und kostengünstig automatisieren: Dieses Ziel geht Igus mit seinen Low-Cost-Automation-Produkten an. Dazu hat der Motion-Plastics-Spezialist ein komplett neues Produkt entwickelt.

mehr...
Anzeige

Leichtbauroboter

Neue Generation mit e

Mit der e-Series hat Universal Robots eine neue Generation kollaborierender Leichtbauroboter auf den Markt gebracht. Sie bietet Benutzern einen größeren Bedienkomfort und eine erhöhte Vielfalt von Anwendungsbereichen zur Steigerung der...

mehr...

FORobotics

Trends der Robotik

Mobile ad-hoc kooperierende Roboterteams in der Fabrik der Zukunft. Der Forschungsverbund „FORobotics“ untersucht die Einsatzmöglichkeiten und Potenziale von autonomen, mobilen Robotern in der Produktion.

mehr...
Anzeige

Highlight der Woche

IFOY Nominee - TORWEGGE auf der Intec in Leipzig
Ein guter Start ins Jahr für den Intralogistik-Spezialisten. Das Unternehmen TORWEGGE wurde mit dem FTS Manipula-TORsten für den IFOY Award nominiert. Das Basisfahrzeug TORsten wird auf der Intec in Leipzig zu sehen sein. Außerdem wird ein Querschnitt des Komponenten-Portfolios in Halle 3 an Stand F34 präsentiert.

Zum Highlight der Woche...
Anzeige

Highlight der Woche

Ergonomische Packarbeitsplätze von Treston bieten maßgeschneiderte und effiziente Lösungen für den Einsatz in Versand und Logistik. Wir stellen aus: Besuchen Sie uns auf der LogiMAT in Stuttgart vom 19. – 21. Februar 2019, Halle 5, Stand F41.

Zum Highlight der Woche...
Anzeige
Zur Startseite