Modellierung eines robotischen Instruments für die minimal invasive Chirurgie

Abstract

Die Entwicklung von Systemen für die robotergestützte minimal invasive Chirurgie (MIRS) setzt sich zum Ziel, die Fähigkeiten des Chirurgens auszubauen ohne das Wohl des Patienten zu gefährden. Neben einer höheren Anzahl an Freiheitsgraden im Körper des Patienten und kleineren, beweglicheren Instrumenten steht hier ebenfalls die Steigerung des Grades an Telepräsenz im Vordergrund. Das heißt die Übertragungsstrecke zwischen dem Chirurgen und dem ausführenden Roboter am Patienten muss verzögerungsfrei, ohne spürbare Positionierfehler sowie Interaktionskräfte mit dem menschlichen Gewebe sollen rückkoppelbar sein. Am DLR wird ein robotisches Instrument (MICA) entwickelt, welches oben genannte Bedürfnisse mit einem modularen Aufbau zum vielseitigen Einsatz in der MIRS kombiniert. Es besitzt 3 Freiheitsgrade, die über jeweils einen Motor und Seilzüge bewegt werden sowie einen Kraft- Momentensensor an der Instrumentenspitze, der die Interaktionskräfte erfasst. Zur Rückkopplung dieser ist jedoch die Kenntnis aller Störgrößen und verfeinerte Regelungskonzepte oder Kompensationsmethoden notwendig. Zur Auslegung der Regelungskonzepte oder Kompensationsmethoden bedient man sich eines Simulationsmodells, welches in dieser Arbeit hergeleitet wird. Die Parameter für die meist nichtlinearen Störgrößen sowie die dynamischen Parameter der Seile werden dabei im Rahmen dieser Arbeit identifiziert. Für die Identifikationsverfahren werden dabei Fehler abgeschätzt und später bei der Identifikation des realen Systems berücksichtigt. Eine einfache modellbasierte Kompensation des wirkenden Reibmoments im System wurde in dieser Arbeit getestet und führte zu einer Verbesserung der Positioniergenauigkeit um mindestens 25%. Die identifizierten Parameter werden ebenfalls im Vergleich zwischen Simulation und Modell evaluiert. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit auch eine Kraft- sowie eine Impedanzregelung der vom Werkzeug entkoppelten Antriebseinheit getestet.