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• Applicants: Professor Dr.-Ing. Stefan Seelecke; Professor Dr.-Ing. Roland Werthschützky
• Subject Area: Measurement Systems ; Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 392780747

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Gegenstand des Forschungsprojektes ist die Ableitung eines Lösungskonzeptes und Erarbeitung der erforderlichen Entwurfsgrundlagen für einen aktuierbaren sensorintegrierten Führungsdraht für Katheterisierungen. Darauf aufbauend erfolgt die Realisierung und Charakterisierung eines 10:1 skalierten Führungsdraht-Musters. Mit Hilfe dieses Ansatzes soll eine erhöhte Flexibilität und Verlässlichkeit des medizinischen haptischen Assistenzsystems gewährleistet werden. Durch den Einsatz von SMA-Drähten werden eine von außen einstellbare Steifigkeit und von außen einstellbare Krümmung der Führungsdrahtspitze umgesetzt. Aus der erhöhten Flexibilität und Verlässlichkeit des Systems soll zum einen eine verbesserte Navigation des Führungsdrahtes, vor allem bei komplizierten Gefäßgeometrien und zum anderen eine geringere Patientenbelastung durch Vermeidung des wiederholten Führungsdrahtwechsels gewährleistet werden. In der ersten Phase des Projektes wurde das Gesamtsystem konzeptioniert, das sowohl die SMA-Aktorik, als auch die Kraftsensorik an der Führungsdrahtspitze integriert. Daraus wurden die Arbeiten der beiden Forschergruppen sowie anschließend die gemeinsamen Arbeiten abgeleitet. Aufbauend darauf wurden von der Forschergruppe Seelecke hochskalierte Muster zum prinzipiellen Nachweis der zusätzlichen Funktionalitäten entwickelt. Basis bildet eine Federstruktur, die sowohl eine Versteifung als auch eine Verbiegung der Führungsdrahtspitze ermöglicht. Hierbei wurden neben den aktorischen Fähigkeiten die inhärenten sensorischen Eigenschaften - Self-Sensing - der SMA-Aktorik aufgezeigt und es konnte eine Abhängigkeit zur Position der Führungsdrahtspitze nachgewiesen werden. Zusammen mit dem von der Forschergruppe Werthschützky entwickelten kinematischen Modell bilden diese Untersuchungen die Grundlage für das Regelkonzept. Zur Reduzierung der Zuleitungen zur Aktorik sowie Kraftsensorik wurde eine Schalt-Elektronik basierend auf dem Time Division Multiplexing-Verfahren entwickelt und validiert. Untersuchungen zum thermischen Verhalten bestromter SMA-Drähte in Schweineblut wurden durchgeführt. Sie zeigten keinen signifikanten Anstieg der Temperatur bei Aktivierung der Drähte. Als Fazit wird festgestellt, dass im Rahmen des Forschungsprojektes die technische Funktion der einzelnen Systemkomponenten aufgezeigt und deren angestrebten Funktionen nachgewiesen werden konnte. Es wurden Führungsdrahtmuster mit vollintegrierter SMA-Aktorik und speziell entwickelter Federstruktur erfolgreich aufgebaut und getestet. Erste Tests bestätigten die Regelbarkeit des Systems. Bezüglich der Integration und Kontaktierung des Mikro-Kraft-Sensors besteht weiterhin Optimierungspotenzial. Dies gilt ebenso für die Miniaturisierung des Gesamtsystems auf reale Durchmesser.

Publications

• „Entwicklung und Aufbau einer FGL-aktivierten Führungsdrahtspitze mit einstellbarer Steifigkeit und Krümmung“, in 4SMARTS-Symposiums - Smarte Strukturen und Systeme, 2018
  Y. Goergen, R. Chadda, P. Motzki, N. Koev, R. Werthschützky, M. Kupnik und S. Seelecke
  
• „Planning for Flexible Surgical Robots via Bézier Spline Translation“, IEEE Robotics and Automation Letters, Jg. 4, Nr. 4, S. 3270–3277, 2019
  J. Fauser, R. Werthschützky, S. Seelecke u. a.
  
• „Shape Memory Alloys in Continuum and Soft Robotic Applications“, in ASME 2019 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, American Society of Mechanical Engineers, 2019
  Y. Goergen, R. Chadda, R. Britz, D. Scholtes, N. Koev, P. Motzki, R. Werthschützky, M. Kupnik und S. Seelecke