DE102006019419B4

DE102006019419B4 - Aktuator insbesondere eines Endoroboters

Info

Publication number: DE102006019419B4
Application number: DE102006019419A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wedel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: DE102006019419A1; US20080214894A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator (8, 22a-d, 28, 36, 60, 72, 84, 98) eines Endoroboters, umfassend ein Funktionsmittel (18a-c, 26a-d, 32, 44, 64, 74) und ein Energieabsorptionselement zur Aufnahme von Energie aus einem elektromagnetischen Feld. Eine kleine, robuste und einfache Ausführung des Aktuators kann erreicht werden, wenn das Energieabsorptionselement ein Heizelement (16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c) aufweist und das Funktionsmittel (18a-c, 26a-d, 32, 44, 64, 74) zur Erfüllung einer Funktion durch Heizungswärme ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator insbesondere eines Endoroboters, umfassend ein Funktionsmittel und ein Energieabsorptionselement zur Aufnahme von Energie aus einem elektromagnetischen Feld.
Neben der klassischen Endoskopie unter Verwendung eines länglichen, in das Organ oder Gefäß einzuschiebenden Endoskopiegeräts ist die Kapselendoskopie zur Diagnose von Erkrankungen, insbesondere des Gastrointestinaltrakts, beispielsweise aus der DE 10 2005 006 877 A1 bekannt. Hierbei wird ein Mobilteil eines Endoroboters in das Organ oder Gefäß eingebracht und von einem außerhalb des Patienten angeordneten Stationärteil des Endoroboters gesteuert. Bei einer Untersuchung des Gastrointestinaltrakts wird der Mobilteil vom Patienten geschluckt und treibt durch die Peristaltik angetrieben durch den Körper. Innerhalb des Patienten führt das Mobilteil des Endoroboters bestimmte Funktionen aus, nimmt z.B. eine Anzahl von Bildern zur Diagnose des Organs oder Gefäßes auf oder entnimmt Proben oder klammert Wunden. Zur Steuerung einer beabsichtigten Bewegung des Mobilteils wird ein Magnetfeld von außen angelegt, das außerdem ein Funktionselement des Mobilteils mit Strom zur Ausführung der gewünschten Funktion versorgt.
Weitere Schriften mit Bezug zur Endorobotik sind DE 10 2004 034 355 A1 , US 6 632 216 B2 , US 6 402 686 B1 , DE 29 28 477 A1 , US 5 395 366 A , WO 2005/082 248 A1 und US 5 662 587 A .
In der DE 10 2004 034 355 A1 ist eine Kapsel zum Freisetzen von in ihr befindlichen Wirkstoffen an definierten Orten in einem Körper offenbart. Diese Freisetzung geschieht durch Erwärmung eines Heizelementes unter der Wirkung eines magnetischen Wechselfelds an einem definierten Ort in einem Körper.
Die US 6 632 216 B2 offenbart eine einnehmbare Kapsel mit einem Empfänger für elektromagnetische Strahlung, durch welche Energie für das Öffnen der Kapsel zur Abgabe einer Substanz geliefert wird.
In der US 6 402 686 B1 ist ein stabförmiges endoskopisches System mit Mitteln zum Senden von in einem Körper aufgenommenen Bildern offenbart.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein sehr kleiner, einfacher oder störungsunanfälliger Mobilteil eines Endoroboters erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Aktuator der Eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß das Energieabsorptionselement ein Heizelement aufweist und das Funktionsmittel zur Erfüllung einer Funktion durch Heizungswärme ausgebildet ist. Es kann eine Nutzbewegung durch Wärme angetrieben werden und es kann eine einfache, sehr kleine und robuste Ausführung des Aktuators erreicht werden.
Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass mechanische Teile, wie ein Motor oder ein Getriebe, aufwendig und hierdurch störanfällig sind. Außerdem sind solche Aktuatoren groß oder haben nur geringe Stellkräfte. Eine Energieversorgung mittels Kabel ist bei einem Aktuator eines Endoroboters nur schwer möglich. Zumindest einer dieser Nachteile kann durch einen Aktuator mit einem Heizelement für eine Funktionsausübung umgangen werden.
Unter einem Endoroboter wird hierbei insbesondere ein Roboter verstanden, der ohne einen gewebezerstörenden Eingriff an unzugänglichen Stellen innerhalb eines insbesondere menschlichen Körpers tätig sein kann. Das elektromagnetische Feld ist zweckmäßigerweise ein Wechselfeld. Das Energieabsorptionselement kann identisch mit dem Heizelement sein. Das Heizelement weist vorteilhafterweise einen Stoff auf, der Energie aus dem elektromagnetischen Feld, insbesondere Wechselfeld, absorbiert, wie beispielsweise Ferritmaterial, Widerstandsdraht oder Eisenpulver. Denkbar ist auch ein ähnlich wirkendes Pulver oder Granulat, eine Spule oder ein anderer Festkörper oder eine Flüssigkeit. Ausgenutzt werden können Ummagnetisierungsverluste bei Eisen bzw. ferritischem Material oder auch ohmsche Verluste.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement zur unmittelbaren Aufnahme der Energie aus dem elektromagnetischen Feld ausgebildet. Es kann auf eine Umwandlung der Energie aus dem elektromagnetischen Feld in beispielsweise elektrische Energie verzichtet und die Energie direkt als Arbeitsenergie zur Verfügung gestellt werden. Hierfür ist das Heizelement vorteilhafterweise zur direkten Umwandlung der Energie aus dem elektromagnetischen Feld in Wärme vorbereitet.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Funktionsmittel zur Erzeugung einer Bewegung und das Heizelement zum Aufbringen von für die Bewegung benötigter Kraft oder Energie ausgebildet ist. Es kann auf einfache Weise und mit einem hohen Wirkungsgrad eine große mechanische Kraft erzeugt werden.
Der Aktuator kann robust gehalten und es kann auf mechanische Übersetzungsmittel verzichtet werden, wenn das Funktionsmittel in Verbindung mit einer durch eine Erwärmung des Heizelements hervorgerufene Verformung zum Ausführen einer Arbeitsbewegung vorgesehen ist. Hierbei kann das Funktionsmittel selbst verformt werden, beispielsweise indem das Funktionsmittel ein Stück Memorymetall aufweist, das in einem kalten Zustand in einem ersten Formzustand verweilt und bei einer ausreichenden Erwärmung in einen voreingestellten zweiten Formzustand übergeht. Auch ein Bimetall ist denkbar, dass sich bei Wärmeeintrag verformt.
Es ist ebenso denkbar, dass sich das Heizelement bei Erwärmung und Abkühlung selbst verformt und die Verformungsbewegung auf das Funktionselement übertragen wird, das die Arbeitsbewegung vollzieht. Für diese oder eine ähnliche Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement vorteilhafterweise zu einer Verformung durch eine Erwärmung ausgebildet, wodurch eine einfache Gestaltung des Aktuators möglich ist. Das Heizelement umfasst zweckmäßigerweise ein in einer Wandung gehaltenes Verformmedium, wobei die Wandung bei einer Verformung des Heizelements verformt wird. Die Wandung kann ein Volumen umschließen, wobei das Verformmedium im durch die Erwärmung in Form und/oder Größe veränderten Volumen von der Wandung umschlossen bleibt. Hierzu ist die Wandung insbesondere dehnbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Heizelement ein zur Aufheizung vorgesehenes Fluid, wodurch eine Erwärmungsveränderung des Heizelements erreichbar ist, die einfach und direkt mit einer Erwärmung gekoppelt ist. Das Fluid kann eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine ge lartige Substanz sein. Ist das Fluid ein Gas, so kann durch Wärmeeintrag eine kontinuierliche Volumenveränderung des Fluids und hierdurch eine gleichmäßige Bewegung des Funktionselements erreicht werden. Bei einer Ausführung des Fluids als Flüssigkeit oder Gel kann das Fluid durch Wärmeeintrag verdampft werden, so dass eine große Volumenveränderung und damit eine große Funktionsbewegung erzielbar ist.
Hierfür ist das Fluid zweckmäßigerweise zu einer Verformung des Heizelements durch einen Phasenübergang vorgesehen. Das Fluid weist vorteilhafterweise einen Siedepunkt auf, der nur wenige Grad oberhalb der Körpertemperatur des Menschen liegt, zweckmäßigerweise zwischen 43°C und 55°C. Außerdem hat das Fluid zweckmäßigerweise eine geringe Wärmekapazität bei diesem Phasenübergang, damit der Wärmeeintrag gering gehalten werden kann und das Fluid bei einem Phasenübergang in die flüssige bzw. gelartige Phase nur wenig Wärme abgibt. Des Weiteren kann das Fluid zweckmäßigerweise eine Mischung aus Gas und Flüssigkeit aufweisen, wobei die Menge der Flüssigkeit eine nach vollständiger Verdampfung erreichte Endgröße und das Gas eine vor Verdampfung vorliegende Anfangsgröße des Heizelements festlegt.
Ein einfacher Mechanismus für einen Eintrag eines Stoffs in den menschlichen Körper kann erreicht werden, wenn das Funktionsmittel einen Innenhohlraum mit einem Auslass aufweist, wobei das Heizelement dazu vorgesehen ist, mittels einer Größenveränderung einen Stoff aus dem Auslass zu drücken. Erreicht der Aktuator einen für eine Stoffgabe vorgesehenen Ort im Körper, kann das Heizelement erwärmt und der Stoff aus dem Innenhohlraum ausgepresst werden.
Eine zuverlässige Ansteuerung des Heizelements kann erreicht werden, wenn das Heizelement zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung aus einem vorbestimmten ersten Absorptionsfrequenzband vorbereitet ist und elektromagnetische Strahlung aus einem benachbarten zweiten Frequenzband im Wesentlichen unabsorbiert lässt. Einer Störung der Ansteuerung durch unge wollt einstrahlende elektromagnetische Strahlung kann entgegengewirkt werden. Hierfür ist das Absorptionsfrequenzband vorteilhafterweise schmal gehalten.
Weist der Aktuator mehrere Heizelemente auf, die getrennt ansteuerbar sind, so kann eine auszuführende Funktion aus mehreren Unterfunktionen zusammengesetzt werden und es kann eine große Funktionenvielfalt erreicht werden. Beispielsweise kann ein komplizierter Bewegungsablauf aus einer Reihe von einzelnen Bewegungen zusammengesetzt werden.
Eine getrennte Ansteuerung von mehreren Heizelementen kann einfach erreicht werden, wenn der Aktuator mehrere Heizelemente aufweist, die zu einer Absorption elektromagnetischer Strahlung aus verschiedenen Absorptionsfrequenzbändern ausgeführt sind. Je nach Frequenz eines anregenden elektromagnetischen Feld kann ein bestimmtes Heizelement oder können mehrere Heizelemente gleichzeitig angesteuert werden. Jedes Heizelement weist zweckmäßigerweise eines der Absorptionsfrequenzbänder auf, in dem es absorbiert und die anderen Frequenzbänder vorteilhafterweise unabsorbiert belässt.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Endoroboter mit einem wie oben beschriebenen Aktuator und einer Steuereinheit zum Steuern des Aktuators. Der Aktuator ist hierbei vorteilhafterweise von der Steuereinheit mechanisch getrennt, wobei der Aktuator für einen Einsatz innerhalb eines menschlichen Körpers und die Steuereinheit zu einem Verbleib außerhalb des menschlichen Körpers vorgesehen ist. Außerdem umfasst der Endoroboter vorteilhafterweise einen Sender zur Abstrahlung des elektromagnetischen Felds, wobei die Steuereinheit mit dem Sender mechanisch fest verbunden ist. Es ist auch möglich, dass die Steuereinheit mechanisch an den Aktuator gekoppelt ist und Sendebefehle von innerhalb des Körpers an den außerhalb des Körpers angeordneten Sender sendet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheit zum Ansteuern von mehreren Heizelementen mit jeweils einer dem jeweiligen Heizelement zugeordneten Frequenz vorgesehen ist, wobei sich die Frequenzen unterscheiden. Mehrere Heizelemente können unabhängig angesteuert und eine Vielfalt von Funktionen erreicht werden. Die Frequenzen können Frequenzbänder mit einer vorbestimmten Bandbreite sein.
Eine vorteilhafte Steuerung des Aktuators kann erreicht werden durch einen Sensor zur Größenermittlung des Heizelements. Es kann ein Arbeitsstatus des Heizelements ermittelt werden, also beispielsweise, ob das Heizelement gerade groß ist und somit eine Arbeitsfunktion ausführt, oder ob es klein ist und die Arbeitsfunktion, z.B. eine Bewegung, wieder zurückgenommen wurde. Je nach momentanem Arbeitsstatus des Heizelements kann ein weiterer Arbeitsschritt durch die Steuereinheit angeregt werden. Die Größenermittlung kann durch Ultraschall oder eine Durchleuchtung, z.B. mittels Röntgenstrahlung, erfolgen. Hierbei kann eine Größe eines Gasvolumens in einer umgebenen Flüssigkeit durch den starken Kontrast zwischen Flüssigkeit und Gas leicht bestimmt werden. Zweckmäßigerweise wird eine Größenveränderung von der Steuereinheit überwacht, wodurch eine präzise Ermittlung eines momentanen Arbeitsstatus erfolgen kann.
Eine vorteilhafte Steuerung des Aktuators kann ebenfalls erreicht werden durch einen Sensor zur Ermittlung einer Energieaufnahme des Heizelements. Je nach Energieaufnahme kann geschlossen werden, wie weit das Heizelement aufgeheizt ist und daraus ein momentaner Arbeitsstatus ermittelt werden. Die Energieaufnahme kann aus einer Dämpfung des elektromagnetischen Felds geschlossen werden.
Es wird außerdem vorgeschlagen, dass der Endoroboter einen Sensor zur Ermittlung einer Verschiebung eines Absorptionsfrequenzbands durch eine Bewegung des Heizelements oder des Funktionsmittels aufweist. Hierbei ist der Aktuator vorteilhafterweise so ausgeführt, dass er bei einer Änderung der Form des Heizelements oder des Funktionsmittels sein Absorp tionsfrequenzband ändert. Durch eine Messung der Dämpfung des elektromagnetischen Felds bei ausgewählten Frequenzen kann somit auf eine Form des Heizelements geschlossen werden.
Ebenso gut möglich ist eine Änderung der Induktivität des Schwingkreises aus Sender und Aktuator, aus der auf einen Arbeitsstatus geschlossen werden kann. Die Messung der Energieaufnahme bzw. der Dämpfung des Heizelements kann rein qualitativ erfolgen, also z.B. nur als relative Änderung einer Energieaufnahme, oder quantitativ.
Umfasst der Endoroboter mehrere Sensoren zur unabhängigen Überwachung mehrerer Heizelemente, so kann ein komplizierter Arbeitsablauf zuverlässig überwacht werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
Es zeigen:
1 einen Patienten mit einem Endoroboter,
2 einen Aktuator des Endoroboters aus 1,
3 vier weitere Aktuatoren eines Endoroboters,
4 einen weiteren Aktuator in geöffneter und geschlossener Stellung,
5 einen weiteren Aktuator in passiver und aktiver Stellung,
6 ein Dreibein mit drei Aktuatoren,
7 einen Aktuator zum Dehnen in passiver und aktiver Stellung,
8 einen Aktuator zum Halten in einem Gefäß in passi ver und aktiver Stellung,
9 einen Aktuator zum Ausstoßen eines Fluids in passiver und aktiver Stellung,
10 einen Aktuator zum gesteuerten Fortbewegen,
11 den Aktuator aus 10 in dreifach aktivem Zustand und
12 einen Bewegungsablauf des Aktuators aus 10 und 11 in einem Gefäß mit einem Steuerschema.
1 zeigt einen Patienten 2 auf einer Liege 4 mit einem Endoroboter 6, der einen in 1 nur schematisch dargestellten Aktuator 8, eine Steuereinheit 10 mit einem Sensor 11 und ein Übertragungsmittel 12 aufweist. Das Übertragungsmittel 12 ist als Sende- und Empfangsspule ausgebildet, die ein elektromagnetisches Wechselfeld 14 erzeugt und zu einem Empfangen des Wechselfelds 14 vorgesehen ist zum Messen des Wechselfelds 14 durch die den Sensor 11 bzw. die Steuereinheit 10. Die Steuereinheit 10 regt das Wechselfeld 14 mit einer oder mehreren einstellbaren festen oder variablen Frequenzen an und wertet das von der Spule gegebene Empfangssignal aus.
2 zeigt den Aktuator 8 des Endoroboters aus 1 in einer schematischen Darstellung. Der Aktuator 8 umfasst drei Energieabsorptionselemente in Form von Heizelementen 16a-c, die mit jeweils einem Funktionsmittel 18a-c verbunden sind. Das erste Heizelement 16a ist zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung 14, z.B. Radiostrahlung, durch Induktion aus einem ersten Absorptionsfrequenzband vorbereitet, das an Material 20a des Heizelements 16a, z.B. Ferritmaterial, in der Weise angepasst ist, dass das Material 20a die elektromagnetische Strahlung 14 gut absorbieren und durch Ummagnetisierungsverluste gut in Wärme umwandeln kann. Die Heizelemente 16b und 16c sind analog ausgeführt, weisen jedoch ein leicht unterschiedliches Material 20b, 20c auf, das auf ein zweites bzw. drittes Absorptionsfrequenzband angerichtet ist. Die drei Absorptionsfrequenzbänder sind in ihrer Frequenzlage leicht verschieden und überlappen sich nicht, so dass jedes Heizelement 16a-c elektromagnetische Strahlung aus einem der benachbarten Frequenzbänder im Wesentlichen unabsorbiert lässt. Auf diese Weise sind die drei Heizelemente 16a-c durch drei verschiedene Anregungsfrequenzen von der Steuereinheit 10 getrennt ansteuerbar. Die drei Funktionsmittel 18a-c sind zur Erfüllung jeweils einer eigenen Funktion unterschiedlich ausgeführt.
3 zeigt vier verschiedene Aktuatoren 22a-d mit jeweils einem Heizelement 24a-d und einem Funktionsmittel 26a-d. Im Aktuator 22a sind das Heizelement 24a und das Funktionsmittel 26a in Schichten übereinander angeordnet. Im Aktuator 22b ist das Heizelement 24b als viele kleine Teilchen im Funktionsmittel 26b gelagert. In den Aktuatoren 22c und 22d ist das Heizelement 24c, 24d innerhalb bzw. außerhalb des Funktionsmittels 26c, 26d angeordnet. Die Lage der Heizelemente 24a-d zu ihrem Funktionsmittel 26a-d wird durch die vom Funktionsmittel 26a-d zu erfüllende Funktion bestimmt.
Alle Aktuatoren 8, 22a-d sind auf eine gute Kühlung ihrer Heizelemente 16a-c, 24a-d ausgelegt, indem sie entweder außenseitig im Aktuator 8, 22a, 22d angeordnet sind und/oder ein Wärmeübertragungsmittel zur Übertragung von Wärme vom Heizelement 16a-c, 24b, 24c nach außerhalb des Aktuators 8, 22b, 22c aufweisen. Das Wärmeübertragungsmittel kann durch ein Funktionsmittel 26b, 26c gebildet werden, dass zur Wärmeübertragung vorgesehen ist. Durch die vorgesehene thermische Anbindung der Heizelemente 16a-c, 24a-d an die Umgebung des Aktuators 8, 22a-d können die Heizelemente 16a-c, 24a-d nach einer Erwärmung schnell abkühlen und das jeweilige Funktionsmittel 18a-c, 26a-d rasch in seinen Ausgangszustand, z.B. seine Ausgangsposition, zurückkehren.
Weitere Aktuatoren 28, 36, 60, 72, 84, 98 sind in den 4 bis 12 dargestellt, deren Wirkweise analog zu den oben be schriebenen Aktuatoren 8, 22a-d ist. Im Weiteren wird nur auf die Unterschiede zwischen den Aktuatoren 28, 36, 60, 72, 84, 98 und 8, 22a-d eingegangen.
In 4 ist ein weiterer Aktuator 28 mit einem Heizelement 30 und einem Funktionsmittel 32 mit zwei Greifarmen 34 dargestellt, die auf der linken Hälfte der 4 in geöffneter Position und auf der rechten Hälfte der 4 in geschlossener Position gezeigt sind. Einer der oder beide Greifarme 34 sind aus Memorymetall gefertigt, die bei einem kalten Heizelement 30 in der geöffneten Position ruhen. Bei einer Erwärmung des Heizelements 30 überträgt sich Wärme aus dem Heizelement 30 in die Greifarme 34, die sich ab einer vorgegebenen Temperatur in die geschlossene Position bewegen und dort so lange ruhen, wie ihre Temperatur über der vorgegebenen Temperatur liegt. Mit Hilfe der Greifarme 34 kann so ein Stück Gewebe gegriffen oder sogar von anderem Gewebe abgetrennt werden.
Der in 5 dargestellte Aktuator 36 umfasst als Heizelement 38 einen mit Flüssigkeit 40 gefüllten dehnbaren Behälter 42 und ein als Stempel ausgeführtes Funktionsmittel 44, die beide in einem Gehäuse 46 mit einer Wandung 48 und einem Boden 50 angeordnet sind. Bei einer Erwärmung des Heizelements 38 erwärmt sich die Flüssigkeit 40 durch direkte Absorption von elektromagnetischer Strahlung oder indem in der Flüssigkeit 40 Strahlung absorbierende Teilchen, z.B. Ferritteilchen, eingelagert sind. Da der Siedepunkt der Flüssigkeit 40 bei 45°C liegt und die Wärmekapazität der Flüssigkeit 40 niedrig ist, siedet die Flüssigkeit 40 bereits bei einem geringen Wärmeeintrag und der Behälter 42 füllt sich mit Gas 52 und dehnt sich aus. Hierdurch führt der Stempel eine Arbeitsbewegung aus, indem er aus dem Gehäuse 46 gedrückt wird. Bei einer Abkühlung fährt der Stempel wieder in das Gehäuse 46 ein. Alternativ ist es möglich, dass der Boden 50 als Heizelement ausgeführt ist und seine Wärme auf die Flüssigkeit 40 überträgt.
Ein Dreibein 54 mit drei wie in 5 gezeigten Aktuatoren 36, einer Grundplatte 56 und einer Arbeitsplatte 58 ist in 6 dargestellt. Die Heizelemente 38 der Aktuatoren 36 sind auf unterschiedliche Absorptionsfrequenzbänder eingestellt, so dass die Aktuatoren 36 getrennt ansteuerbar sind und die Arbeitsplatte 58 in drei Freiheitsgraden bewegbar ist, nämlich zweidimensional schwenkbar und in Hubrichtung der Funktionsmittel 44 heb- und senkbar. Ein solches Dreibein 54 ist beispielsweise zur Bewegung einer Kamera geeignet.
Ein weiterer Aktuator 60 mit einem Heizelement 62 und einem als Außenhaut ausgeführten Funktionsmittel 64 ist in 7 geschnitten dargestellt. Das Heizelement 62 umfasst elastisches Material 66, z.B. ein Gel oder ein Elastomer, das entweder aus sich heraus oder mit Hilfe von eingelagerten Teilchen zur Absorption von Energie aus einem elektromagnetischen Wechselfeld vorgesehen ist. Im elastischen Material 66 sind Flüssigkeitsbläschen 68 eingelagert, deren Flüssigkeit bei einer genügenden Erwärmung verdampft und sich hierdurch Gasbläschen 70 bilden, die eine Ausdehnung der Außenhaut bewirken. Hierdurch kann ein Gefäß beispielsweise gedehnt werden.
In 8 ist ein Aktuator 72 mit einem Funktionsmittel 74 zum Halten in einem Gefäß 76 geschnitten dargestellt, dessen Heizelement 78 eine Mischung aus einer Absorptionsflüssigkeit 80 zur Absorption von Energie aus einem elektromagnetischen Wechselfeld und einer Flüssigkeit 82 zur Verdampfung aufweist. Das Funktionsmittel 74 ist wie das Heizelement 78 elastisch und ringförmig um das Heizelement 78 herumgeführt. Ebenfalls möglich sind mehrere getrennte Halteelemente, die das Funktionsmittel bilden.
Der in 9 geschnitten dargestellte Aktuator 84 dient zum Ausstoßen einer medizinisch wirksamen Flüssigkeit 86 aus einem Innenhohlraum 88 in die Umgebung 90 des Aktuators 84. Hierzu umfasst der Aktuator 84 eine als Heizelement dienende Flüssigkeit 92, die bei Erwärmung zu einem Gas 94 verdampft und einen Stempel 96 verschiebt, der die Flüssigkeit 86 aus dem Innenhohlraum 88 herausdrückt.
Ein zu einer gezielten Fortbewegung ausgeführter Aktuator 98 ist in den 10 und 11 schematisch gezeigt. Der Aktuator 98 umfasst drei getrennt ansteuerbare Heizelemente 100a-c, die in einem auf drei Kammern 102a-c verteilte verdampfbaren Medium liegen. Die Kammern 102a-c sind durch zwei Verschlüsse 104 gasdicht voneinander getrennt, so dass sie mittels des verdampfbaren Mediums getrennt expandiert werden können. Hierbei sind die beiden äußeren Kammern 102a, 102c durch zwei Halter 106, beispielsweise eine durch das Heizelement 100a, 100c geführte Schraube, in ihrer Ausdehnung in Axialrichtung 108 konstant gehalten. Die mittlere Kammer 102b ist durch Halteringe 110 in ihrer Ausdehnung quer zur Axialrichtung begrenzt. Während 10 den Aktuator 98 in entspanntem Zustand, also mit kühlen Heizelementen 100a-c zeigt, ist in 11 ein Zustand mit verdampftem Medium und maximal expandierten Kammern 102a-c gezeigt.
Eine Fortbewegung des Aktuators 98 durch ein Gefäß 112 ist in 12 in sieben Schritten dargestellt. Auf der linken Seite von 12 ist tabellarisch dargestellt, mit welchen Frequenzen f₁, f₂ und f₃ das Übertragungsmittel 12 das elektromagnetische Wechselfeld abstrahlt, wobei das Heizelement 100a Strahlung mit der Frequenz f₁, das Heizelement 100b Strahlung mit der Frequenz f₂ und das Heizelement 100c Strahlung mit der Frequenz f₃ absorbiert, und die Heizelemente 100a-c Strahlung mit den übrigen beiden Frequenzen f₁, bzw. f₂ oder f₃ im Wesentlichen unabsorbiert lassen.
In einem ersten Schritt strahlt das Übertragungsmittel 12 kein elektromagnetisches Wechselfeld ab. Demzufolge sind alle drei Heizelemente 100a-c kühl, das Medium ist überall entspannt und die Kammern 102a-c sind unausgedehnt. Im zweiten bis vierten Schritt strahlt das Übertragungsmittel 12 ein elektromagnetisches Wechselfeld zuerst nur mit der Frequenz f₁, dann mit f₁ und f₂ und schließlich mit allen drei Frequen zen f₁, f₂ und f₃ ab. Hierdurch wird zuerst nur das erste Heizelement 102a, dann zwei Heizelement 102a, 102b und dann alle drei Heizelemente 102a-c erwärmt, wodurch sich der Aktuator 98 im Gefäß 112 verspannt, ausdehnt und dann doppelt verspannt.
Durch Abschalten der ersten Frequenz f1 im fünften Schritt gibt das Heizelement 100a seine Wärme schnell an die Umgebung ab und kühlt schnell ab, wodurch sich die Kammer 102a entspannt und im sechsten Schritt mittels Entspannung der zweiten Kammer 102b zur dritten Kammer 102c gezogen werden kann. Im siebten Schritt wird die Kammer 102a wieder ausgedehnt zur doppelten Verspannung im Gefäß 112. Nun beginnt das Bewegungsverfahren wieder mit einem erneuten Zyklus vom zweiten bis zum siebten Schritt, wobei dieser Zyklus zur gezielten und von der Steuereinheit 10 gesteuerten Fortbewegung durch das Gefäß 112 wiederholt werden kann. Auch eine Bewegung durch ein gekrümmtes Gefäß ist problemlos möglich. Hierbei steuert die Steuereinheit die Heizelemente 100a-c mit jeweils der dem jeweiligen Heizelement 100a-c zugeordneten Frequenz f₁, f₂, f₃ an.
Bei allen in den FIG gezeigten Ausführungsbeispielen überwacht die Steuereinheit 10 ein Verhalten der Heizelemente 16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c mit Hilfe des Sensors 11 und/oder der Spule. Hierbei dient der Sensor 11 zu einer Größenermittlung des Heizelements 16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c bzw. Gasvolumens mittels Ultraschall oder Röntgenstrahlung und/oder zur Ermittlung einer Energieaufnahme des Heizelements 16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c über eine Dämpfung des Wechselfelds. Ebenso ist die Steuereinheit 10 dazu ausgelegt, eine Frequenz des Wechselfelds zu variieren und eine Absorption in Abhängigkeit von der Frequenz zu ermitteln. Daraus ergibt sich eine Absorptionsverschiebung, aus der die Steuereinheit 10 mit Hilfe zuvor ermittelter empirischer Daten einen Bewegungs- oder Größenzustand der Heizelemente 16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c bestimmt. Zur gleichzeitigen unabhängigen Überwachung mehrerer Heizelemente 16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c umfasst der Sensor 11 mehrere Sensorelemente.

Claims

Aktuator (8, 22a-d, 28, 36, 60, 72, 84, 98) für einen Endoroboter, umfassend ein Funktionsmittel (18a-c, 26a-d, 32, 44, 64, 74) und ein Energieabsorptionselement zur Aufnahme von Energie aus einem elektromagnetischen Feld, wobei das Energieabsorptionselement ein Heizelement (16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c) aufweist und das Funktionsmittel (18a-c, 26a-d, 32, 44, 64, 74) zur Erfüllung einer Funktion durch Heizungswärme ausgebildet ist, gekennzeichnet durch mehrere Heizelemente (16a-c, 100a-c), die zur unmittelbaren Aufnahme von Energie durch Absorption elektromagnetischer Strahlung aus verschiedenen Absorptionsfrequenzbändern des elektromagnetischen Felds ausgebildet sind.
Aktuator (8, 22a-d, 28, 36, 60, 72, 84, 98) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmittel (18a-c, 26a-d, 32, 44, 64, 74) zur Erzeugung einer Bewegung und das Heizelement (16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c) zum Aufbringen von für die Bewegung benötigter Kraft ausgebildet ist.
Aktuator (8, 22a-d, 28, 36, 60, 72, 84, 98) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmittel (18a-c, 26a-d, 32, 44, 64, 74) in Verbindung mit einer durch eine Erwärmung des Heizelements (16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c) hervorgerufene Verformung zum Ausführen einer Arbeitsbewegung vorgesehen ist.
Aktuator (8, 22a-d, 36, 60, 72, 84) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c) zu einer Verformung durch eine Erwärmung ausgebildet ist.
Aktuator (36, 60, 72, 84, 98) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (38, 62, 78, 100a-c) ein zur Aufheizung vorgesehenes Fluid umfasst.
Aktuator (36, 60, 72, 84, 98) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zu einer Verformung des Heizelements (38, 62, 78, 100a-c) durch einen Phasenübergang vorgesehen ist.
Aktuator (84) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmittel einen Innenhohlraum (88) mit einem Auslass aufweist, wobei das Heizelement dazu vorgesehen ist, mittels einer Größenveränderung einen Stoff aus dem Auslass zu drücken.
Endoroboter mit einem Aktuator (8, 22a-d, 28, 36, 60, 72, 84, 98) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Steuereinheit (10) zum Steuern des Aktuators (8, 22a-d, 28, 36, 60, 72, 84, 98).
Endoroboter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) zum Ansteuern von mehreren Heizelementen (16a-c, 100a-c) mit jeweils einer dem jeweiligen Heizelement (16a-c, 100a-c) zugeordneten Frequenz (f₁, f₂, f₃) vorgesehen ist, wobei sich die Frequenzen unterscheiden.
Endoroboter nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch einen Sensor (11) zur Größenermittlung des Heizelements (16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c).
Endoroboter nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch einen Sensor (11) zur Ermittlung einer Energieaufnahme des Heizelements (16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c).
Endoroboter nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch einen Sensor (11) zur Ermittlung einer Verschiebung eines Absorptionsfrequenzbands durch eine Bewegung des Heizelements (16a-c, 24a-d, 30, 38, 62, 78, 100a-c).
Endoroboter nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch mehrere Sensoren zur unabhängigen Überwachung mehrerer Heizelemente (16a-c, 100a-c).