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Position Sensor and Control System for Micro Hydraulic Drives in Surgical Instruments

Positionssensor und Regelungssystem für Mikro-Hydraulikantriebe in chirurgischen Instrumenten
 
: Comella, Laura Maria
: Bauernhansl, Thomas; Stallkamp, Jan; Pott, Andreas

:
Volltext urn:nbn:de:0011-n-5777473 (3.3 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: efe060db001ed607a9f63f23e4f7731d
Erstellt am: 13.2.2020


Stuttgart: Fraunhofer Verlag, 2019, XX, 150 S.
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2019
Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung, 97
ISBN: 978-3-8396-1550-8
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IPA ()
chirurgisches Instrument; Laparoskopie; Minimalinvasive Chirurgie; Sensor

Abstract
Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung und Entwicklung eines Sensors, der die Regelung der Bewegung einer hydraulisch angetriebenen laparoskopischen Instrumentenspitze ermöglicht und so den Weg für eine neue Interpretation von chirurgischen Instrumenten ebnet. In der neuen Vision ist das Instrument in der Lage, automatisch vorprogrammierte Aufgaben auszuführen, ohne die ständige Beteiligung des Chirurgen an der Instrumentensteuerung.
Nach einer Analyse des Standes der Technik für laparoskopische Instrumente und der einschlägigen Literatur zu Wegmessungssensoren wurde die koaxialzylindrisch-kapazitive Messmethode als die geeignetste Lösung für die vorliegende Anwendung identifiziert. Diese Sensorkonfiguration kann ohne zusätzliche Bauteile direkt in den Hydraulikzylinder integriert werden. Die vorgeschlagene Lösung verwendet den Zylinder und die Kolbenstange jeweils als äußere und innere Elektrode.
Die Umsetzbarkeit des koaxiale-zylindrisch-kapazitiven Sensors wird theoretisch analysiert, mittels FEM-Simulation validiert und anschließend experimentell charakterisiert. Entscheidend ist, dass die Tests mit zwei verschiedenen Hydraulikzylindern, einem Mini- und einem Mikrohydraulikzylinder, durchgeführt werden, um die Skalierbarkeit des Sensors und damit seine Integrierbarkeit in Instrumente unterschiedlicher Größe zu demonstrieren. Die experimentellen Ergebnisse entsprechen den Simulationen und bestätigen das Verhalten des Sensors auf einer experimentellen Ebene.
Der Sensor wird anschließend in ein geregeltes System integriert, um seine Eignung für die Regelung der Position der Instrumentenspitze in einem Szenario zu testen, das der realen Anwendung so nahe wie möglich kommt. Aus diesem Grund ist ein hydraulischer Antrieb vorgesehen, der die Bewegung der Instrumentenspitze ermöglicht. Das vollhydraulische Antriebssystem wird modelliert und dieses Modell dient zur Auslegung einer Regelung. Die entworfene Regelung wird zunächst durch eine Simulation evaluiert und zum Abschluss der Arbeit experimentell getestet um die Gültigkeit des Modells und die Übereinstimmung zwischen simuliertem und realem Verhalten des Systems zu belegen.

 

This work is focused on the research and development of a sensor that permits the control of the movement of a hydraulically driven laparoscopic instrument tip and opens the way towards a new interpretation of surgical instruments. In the new vision the instrument is able to execute automatically preprogrammed tasks, without the constant involvement of the surgeon in the instrument control.
After an analysis on the state of the art for laparoscopic instruments and a revision of the relevant literature on sensors for displacement measurement, the coaxial cylindrical capacitive method was identified as the most suitable solution for the application analyzed. This sensor configuration can be integrated directly into the hydraulic cylinder without the need of additional parts.
The feasibility of the coaxial cylindrical capacitive sensor is theoretically analyzed, validated with FEA simulation and then characterized experimentally. Relevant is the fact that the tests are run with two different hydraulic cylinders, a mini hydraulic and a micro hydraulic cylinder, to demonstrate the scalability of the sensor and its adaptability to instruments of different size. The experimental results match the simulations and confirm the sensor´s behavior also on experimental level.
The sensor is than integrated in a closed loop system to test its suitability for controlling the position of the instrument tip in a scenario as close as possible to the real one. For this reason, a hydraulic drive, which permits the movement of the instrument tip, is designed. The full hydraulic drive system is modeled and this model is used to design a feedback control. The designed controller is initially proven through simulation. Afterwards it is tested with experiments proving the correspondence between simulated and real world behavior of the system.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-577747.html

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