WO2015040138A1 - Aktor mit möglichkeit der positionsbestimmung - Google Patents

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WO2015040138A1
WO2015040138A1 PCT/EP2014/069945 EP2014069945W WO2015040138A1 WO 2015040138 A1 WO2015040138 A1 WO 2015040138A1 EP 2014069945 W EP2014069945 W EP 2014069945W WO 2015040138 A1 WO2015040138 A1 WO 2015040138A1
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hose
braid
actuator
actuator according
wires
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PCT/EP2014/069945
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French (fr)
Inventor
Jonathan Schächtele
Auguste VAN POELGEEST
Besart MEHMETI
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/10—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type
    • F15B15/103—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type using inflatable bodies that contract when fluid pressure is applied, e.g. pneumatic artificial muscles or McKibben-type actuators
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
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    • F15B15/28—Means for indicating the position, e.g. end of stroke
    • F15B15/2815—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
    • F15B15/2861—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using magnetic means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00367—Details of actuation of instruments, e.g. relations between pushing buttons, or the like, and activation of the tool, working tip, or the like
    • A61B2017/00398—Details of actuation of instruments, e.g. relations between pushing buttons, or the like, and activation of the tool, working tip, or the like using powered actuators, e.g. stepper motors, solenoids
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B2017/00535—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets pneumatically or hydraulically operated
    • A61B2017/00539—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets pneumatically or hydraulically operated hydraulically
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/061—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring dimensions, e.g. length
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for

Definitions

  • the invention relates to an actuator, such as an artificial muscle, which is arranged to allow a precise determination of its position or deflection.
  • Surgical instruments with integrated drives have great potential for increasing the flexibility, usability and ergonomics of laparoscopic robotic surgical instruments. Lots
  • Actuator principles that can be used for this purpose have no static relationship between travel and manipulated variable (for example, shape memory alloy drives, artificial muscles, pneumatic drives, hydraulic drives with highly flexible cables, etc.). To bring these drives to a defined position, an actual position feedback is necessary.
  • manipulated variable for example, shape memory alloy drives, artificial muscles, pneumatic drives, hydraulic drives with highly flexible cables, etc.
  • Instruments for laparoscopic surgery have hitherto mostly been driven by cable pulls, where sufficient rigidity and freedom from play have been assumed. sets, there is a static relationship between position of the control element or way of the external actuator and position of the instrument.
  • Conventional methods for measuring paths and angles eg, potentiometers, linear variable differential transformers, optical or magnetic incremental or absolute encoders
  • the object of the present invention is to provide an actuator which makes it possible to precisely determine the position or deflection of the actuator.
  • an actuator which has a flexible hose, and at least one connection, via which a fluid can be introduced into the hose.
  • a hose is understood to mean an object that extends longitudinally along a hose axis and that is flexible, so that it can be bent with the hose axis. If the hose is set up so that the hose axis is straight, the hose can preferably be cylindrical.
  • the tube may have in its interior a channel which is coaxial with the tube axis.
  • the flexibility of the tube is such that the tube increases its radius at least partially when increasing the internal pressure relative to the external pressure.
  • the radius here is the extension of the hose perpendicular to the hose axis.
  • the actuator has at least one connection, via which fluid can be introduced into the tube and / or can be diverted from the tube.
  • the fluid is preferably introduced into the channel in the interior of the tube.
  • the actuator has a mesh, which surrounds the tube along its circumference on at least part of its length.
  • the braid lies on an outside of the hose. If the tube is straight, the braid may preferably describe a cylindrical shape.
  • McKibben Artificial Muscle An advantageous example of such an actuator is known as "McKibben Artificial Muscle.” Its function is described, for example, in “Measurement and Modeling of McKibb Pneumatic Artificial Muscles," Ching-Ping Chou et al., IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. No. 1, p. 90ff. From Fig. 1 in this publication can be very easy the
  • N is the number of wraps (turns) of a single wire, r the radius of the braid, I its length and b the length of the wire. This relationship has also been used in the derivation of the inductance change formula as given below.
  • the braid is such that, when expanded in the radial direction, it extends in the axial direction, i. in the direction of the hose axis, contracts.
  • the braid may have a structure of a double helix.
  • the braid comprises or consists of wire.
  • a braiding is understood to be a flat tubular structure formed from fibers.
  • the fibers may at least partially cross or be juxtaposed without crossing each other.
  • non-intersecting fibers wound around the tube should also be understood as tissue.
  • the braid may be formed of wire as fiber, or it may be formed of another fiber.
  • the wire may optionally be interwoven with the other fiber, or it may be wound around the hose as a coil.
  • the braid may be a "tube braid” and may advantageously be designed as shown in Figure 1 in EP 0685676 A2, where the braid may advantageously comprise any number of parallel-right and / or left-handed spirally wound threads or wires.
  • the braid may advantageously comprise any number of parallel-right and / or left-handed spirally wound threads or wires.
  • a relevant parameter may be the pitch angle of the spirals. It determines the kinematics and thus the relationship between radial expansion and longitudinal contraction. It is usually the same for all wires and constant over the length, but it does not necessarily have to be. If you wound a coil as an uninterrupted, circulating
  • a single-layer coil is a degenerate mesh with only one thread.
  • a coil should therefore be understood as a braid.
  • a multi-layer coil can be understood as a mesh of a continuous thread without alternating position (always the same wire above).
  • the preferred variant, an alternating braid may for example be made of individual wires, the ends of which remain open at the ends of the tube and are advantageously connected so as to give one or more "coils.” What a "coil” characterizes in this case , is that if you follow a line path, it always experiences the same sense of circulation. This means that at the ends are advantageously connected in each case right-handed with left-handed wires.
  • An advantageous structure of a braid for use in the invention may be designed, for example, as described in EP 0 806 596 A1.
  • the braid may have, for example, four threads or wires which, with their course, describe a tubular shape or a cylindrical shape with a flexible cylinder axis.
  • the threads or wires run helically around a common axis, which is also the tube axis or cylinder axis.
  • the wires or threads are interwoven so that alternately each other of the wires or threads to the outermost and innermost, so the common axis facing away or facing runs.
  • wires or threads in this case form a tubular or cylindrical mesh.
  • a variant of such a braid may advantageously be designed so that in each case a plurality, in particular 2, 3 or 4, wires or threads run parallel to one another.
  • These wires or threads can describe a flat structure, such as a band, which runs helically around the axis as described above for the wires or filaments.
  • more than four wires, threads or tapes can be interwoven according to the above description.
  • the braid has a plurality of wires insulated along its length.
  • the fact that the wires are insulated against each other along their length means that those points of the wires are insulated against each other, on which wires in the braid rest on each other.
  • the wires may be electrically connected together at their ends and, in particular, may be connected together as part of a circuit.
  • the mutually insulated wires are interconnected so that the total inductance of the braid is increased over the inductance of a single wire.
  • Said tube may advantageously comprise or consist of a shape memory alloy.
  • the hose may advantageously comprise or consist of plastic. These materials particularly ensure the flexibility of the hose.
  • the hose itself may be coated with an insulating layer where the braid rests on it. This is particularly advantageous if the hose itself has an electrically conductive material. The insulating layer is thus arranged between the hose and the braid.
  • the said connection via which fluid can be introduced into the tube and / or can be derived from the tube, is arranged in an end face of the tube.
  • the connection thus extends coaxially to the tube axis through the opening of the tube into the tube.
  • the connection can then have a bore that is coaxial to the tube axis, through which the fluid can be introduced into the tube and / or out of the tube Hose is derivable.
  • the actuator according to the invention can advantageously also have at least one closure, with which the tube is closed in a fluid-tight manner at at least one end. If the connection is accommodated in the one opening of the hose as described above, the closure can advantageously be arranged in the other opening of the hose, which closes it.
  • the hose can be connected to the surrounding braid by means of at least one clamp, which surrounds both the braid and the hose and compresses the braid with the hose.
  • a clamp may for example be a clamp or a clamp.
  • the at least one clamp is arranged so that it surrounds the connection. So she pushes the braid and the hose on the connection. Accordingly, a clamp can be provided which surrounds the closure and presses the braid and the hose on the closure.
  • the mesh may be embedded in a tube, for example, by being poured into a plastic of the tube. A corresponding gluing is possible.
  • the actuator according to the invention can be connected to a device for measuring an inductance of the braid.
  • a device for measuring an inductance of the braid This means that it has at least one electrical connection, via which an electrical connection with the corresponding measuring device can be produced.
  • the at least one connection is advantageously electrically contacted with the wire of the braid, since its inductance is decisive for the inductance of the braid. How an inductance can be measured is known to the person skilled in the art. All corresponding methods can also be used here.
  • the device for measuring the inductance can also itself be part of the actuator according to the invention.
  • Said fluid may advantageously be hydraulic fluid, more preferably saline, biocompatible silicone oil or gas such as e.g. Air, as this can minimize the risk to the patient when used in surgical applications.
  • a method is also provided, with which the deflection of an actuator can be measured.
  • the actuator itself has the structure described above.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an exemplary actuator according to the invention
  • FIG. 2 shows the relative theoretical and measured inductivity change as a function of the relative change in length in a cylindrical coil as a simple model for the braid according to the invention
  • FIG. 3 shows an experimental setup for the evaluation of the principle according to the invention
  • Figure 4 shows an exemplary structure of a braid
  • Figure 5 shows another example of a structure of a braid
  • FIG. 6 shows another example of a structure of a braid.
  • FIG. 1 shows schematically an exemplary structure of an actuator according to the invention.
  • the actuator has a flexible hose 1 and a connection
  • the exemplary actuator shown also has a closure 3, with which the hose 1 is closed in a fluid-tight manner at its end opposite the connection 2.
  • the port 2 is connected to the hose by means of a clamp 4.
  • the port 2 is partially in the interior of the hose 1 and the clamp 4 surrounds the hose in a region in which the port 2 is present in the interior of the hose 1 and pushes the hose 1 against an outer wall of the terminal. 2
  • the closure 3 is also partially inserted in the interior of the tube 1 at the opposite end.
  • the tube 1 is pressed onto the closure 3 by means of a further clamp 5.
  • the hose 3 is held in the hose 1.
  • the actuator according to the invention also has a mesh 6 which surrounds the tube 1.
  • the braid here has wire or consists of it.
  • the braid can have a plurality of wires insulated along their length, which can be connected in a particularly advantageous manner such that the total inductance is increased in comparison to the inductance of a single wire.
  • the mesh may have a structure of a double helix. It is also tubular in the example shown.
  • Both the terminal 2 and the shutter 3 extend through the corresponding end openings of the braid 6 in the interior of the braid 6. The terminal 2 is compressed by means of a clamp 7 with the braid 6 in a region near the end of the braid 6.
  • the closure 3 is pressed together with the braid 6 by a further clamp 8 near the opposite end of the braid 6.
  • Both the terminal 2 and the shutter 3 have behind the respective clamp 7 and 8 in the direction of the interior of the braid 6 on a region of increased radius, the braid 6 of the surface of the hose 1 and also the surface of the clamps 4 and 5 spaced.
  • connection 2 has coaxial with the cylinder axis of the terminal 2 and the Hose axis of the hose 1 a bore 9 which extends from the outer end of the terminal 2 to the opposite end of the terminal in the interior of the tube 1, through which fluid can be introduced into the tube and derived from the hose.
  • the actuator shown can be considered as a hydraulic high pressure muscle.
  • the graduated shape of the connection and the closure serve for the defined positioning of the hose 1 and the braid 6.
  • the axial positioning of the bore 9 makes the actuator particularly compact. Since pressures of up to 50 bar are necessary due to the small dimensions of the application in minimally invasive medicine, advantageously metallic, corrosion-resistant materials are used.
  • the use of clamps allows adequate fastening of the hose and the braid, even with small diameters of, for example, ⁇ 5 mm.
  • special clamps or clamps can be used.
  • clamps made of shape memory alloys can be used in which the one-way effect of these materials is utilized.
  • the tube may advantageously be a plastic or shape memory tube. This expands when pressurized.
  • the tube is coated with an insulating layer in order to use the described displacement measurement can.
  • the wires are coated with an insulating layer.
  • the braid may have the structure of a double helix if sufficient stability is ensured.
  • the braid can advantageously be designed so that the actuator radially expands when pressurized and contracts axially.
  • the braid advantageously has several circumferential wires. Each of these wires can be considered approximately as a cylindrical coil. If the wire ends at the ends of the muscle are correctly connected, they can be combined to form a coil with higher inductance. Changing the radius and length of this resulting coil also changes their inductance. This can thus be used as a measure of the position of the actuator.
  • N denotes the number of turns
  • ⁇ 0 the permeability of the vacuum
  • ⁇ ⁇ the permeability number of the coil core
  • A the cross-sectional area of the coil
  • FIGS. An experimental setup for the evaluation of the principle is shown in FIGS.
  • the braid 6 enameled wire which is wound around the tube 1.
  • FIG. 3 shows the actuator in the normal state in the left partial image and in the compressed state in the right partial image.
  • the mesh has been moved here, when it undergoes approximately the same deformation as when inflating the hose.
  • Figure 2 shows the prototype shown in Figure 3 by means of a
  • the total number of turns N ⁇ ⁇ was determined by 158 and the number of wires was ⁇ 12.
  • Such a function can be determined for each actuator according to the invention and then be used, unique to a measured inductance of a deflection or length of the actuator.
  • Figure 4 shows an example of a braid, as may be used in the present invention.
  • the braid is also described in EP 0 806 596 AI.
  • the braid here has four helically twisted wires 10a, 10b, 10c and 10d, which are band-shaped in the example shown.
  • the wires 10a, 10b, 10c and 10d are wound around a common axis and describe a tubular or cylindrical surface.
  • the wires 10a, 10b, 10c, and 10d are interwoven with each other so that one of the wires 10a, 10b, 10c, and 10d alternately lies in the extreme. H. facing away from the common axis and one of the wires 10a, 10b, 10c and 10d in the inside, d. H. facing the common axis.
  • the bands 10a, 10b, 10c and 10d here form a tubular or cylindrical tissue.
  • the pitch angle at which the wires 10a, 10b, 10c and 10d are wound is the same for all of the wires and is approximately 45 ° in the example shown.
  • FIG. 5 shows a further example of a braid, as can be used according to the invention.
  • four belts 10a, 10b, 10c and 10d are woven together in FIG. 5 to form a tubular or cylindrical shape about a common axis.
  • the bands 10a, 10b, 10c and 10d helically extend about the common axis. While in Fig. 4 the bands 10a, 10b, 10c and 10d are flat, in Fig. 5 they are composed of four cylindrical wires IIa, IIb, 11c and 11d, respectively.
  • the four cylindrical wires IIa, IIb, 11c and Lld each of a band extending parallel to each other and together form the surface of the band.
  • the mesh is drawn so that adjacent bands are spaced so that there are gaps between the bands 10a, 10b, 10c and 10d to the interior of the tubular structure.
  • FIG. 6 shows an example of a braid which can be used according to the invention, in which 11 bands A, B, C, D, E, F, G, H, I, J and K are woven together. These bands correspond to the bands 10a, 10b, 10c and 10d in Figures 4 and 5.
  • the bands A to K are here interwoven to completely fill the surface of the tube. So there are no gaps to the inside of the hose.
  • the structure shown in FIG. 6 is shown fanned down. In all Figures 4, 5 and 6, the structure shown may be continued over any length along the respective cylinder axis.

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Abstract

Die Erfindung berifft einen Aktor mit einem flexiblen Schlauch (1), einem Anschluss (2), über den Fluid in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist, und einem Geflecht (6), welches den Schlauch entlang dessen Umfang auf zumindest einem Teil dessen Länge umgibt, wobei das Geflecht leitfähigen Draht aufweist oder daraus besteht, wobei der Aktor mit einer Vorrichtung zur Messung einer Induktivität des Geflechtes verschaltbar ist.

Description

Aktor mit Möglichkeit der Positionsbestimmung
Die Erfindung betrifft einen Aktor, wie beispielsweise einen künstlichen Muskel, der so eingerichtet ist, dass er eine präzise Bestimmung seiner Position bzw. Auslenkung ermöglicht.
Chirurgische Instrumente mit integrierten Antrieben haben ein großes Potential für die Erhöhung der Flexibilität, Bedienbarkeit und Ergonomie von laparoskopischen Instrumenten in der robotischen Chirurgie. Viele
Aktorprinzipien, die hierfür in Frage kommen, haben keinen statischen Zusammenhang zwischen Weg und Stellgröße (z.B. Antriebe aus Formgedächtnislegierungen, künstliche Muskeln, pneumatische Antriebe, hydraulische Antriebe mit hochflexiblen Leitungen, ...). Um diese Antriebe auf eine definierte Position bringen zu können, ist eine Ist-Positionsrückführung notwendig.
Instrumente für die laparoskopische Chirurgie werden bisher meistens über Seilzüge angetrieben, wo, ausreichende Steifigkeit und Spielfreiheit vorausge- setzt, ein statischer Zusammenhang zwischen Stellung des Bedienelementes oder Weg des außenliegenden Aktors und Position des Instrumentes besteht. Herkömmliche Methoden zur Messung von Wegen und Winkeln (z.B. Potentiometer, linear variable Differentialtransformatoren, optische oder magnetische Inkremental- oder Absolutwertgeber) sind sehr schwer in dem begrenzten Platzangebot der Instrumentenspitze eines laparoskopischen Instruments unterzubringen und benötigen zwingend zusätzliche Komponenten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aktor anzugeben, der es ermöglicht, die Position bzw. Auslenkung des Aktors präzise zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Aktor nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zur Messung der Auslenkung eines Aktors nach Anspruch 12. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Aktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens an.
Erfindungsgemäß wird ein Aktor angegeben, der einen flexiblen Schlauch aufweist, und zumindest einen Anschluss, über den ein Fluid in den Schlauch einbringbar ist. Unter einem Schlauch wird hierbei ein sich länglich entlang einer Schlauchachse erstreckendes Objekt verstanden, dass flexibel ist, sodass es mit der Schlauchachse biegbar ist. Wird der Schlauch so eingerichtet, dass die Schlauchachse gerade ist, so kann vorzugsweise der Schlauch zylinderförmig sein. Der Schlauch kann in seinem Inneren einen Kanal aufweisen, der koaxial zur Schlauchachse verläuft.
Vorzugsweise ist die Flexibilität des Schlauches derart, dass der Schlauch bei Erhöhung des Innendruckes gegenüber dem Außendruck seinen Radius zumindest bereichsweise vergrößert. Der Radius ist hierbei die Ausdehnung des Schlauches senkrecht zur Schlauchachse.
Erfindungsgemäß weist der Aktor zumindest einen Anschluss auf, über den Fluid in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist. Das Fluid ist hierbei bevorzugt in den Kanal im Inneren des Schlauches einbringbar. Darüber hinaus weist der Aktor ein Geflecht auf, welches den Schlauch entlang dessen Umfang auf zumindest einem Teil dessen Länge umgibt. Optimal liegt das Geflecht auf einer Außenseite des Schlauches auf. Ist der Schlauch gerade, so kann vorzugsweise das Geflecht eine Zylinderform beschreiben.
Ein vorteilhaftes Beispiel eines solchen Aktors ist als„McKibben Artificial Muscle" bekannt. Dessen Funktion wird zum Beispiel in„Measurement and Modeling of McKibben Pneumatic Artificial Muscles", Ching-Ping Chou et al, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 12, No. 1, S. 90ff modelliert. Aus Fig. 1 in dieser Veröffentlichung kann man sehr einfach den
Zusammenhang zwischen radialer Verformung und Kontraktion herleiten, unter Annahme uniformer Verformung über der Länge: l2 + (2nNr)2 = b2. N ist dabei die Zahl der Umschlingungen (Windungen) eines einzelnen Drahts, r der Radius des Geflechts, I seine Länge und b die Länge des Drahtes. Dieser Zusammenhang wurde auch bei der Herleitung der Formel für die Induktivitätsänderung wie unten angegeben verwendet.
Vorzugsweise ist das Geflecht so beschaffen, dass es, wenn es in radialer Richtung ausgedehnt wird, sich in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Schlauch- achse, zusammenzieht. Bevorzugterweise kann das Geflecht eine Struktur einer Doppelhelix haben.
Erfindungsgemäß weist das Geflecht Draht auf oder besteht daraus. Unter einem Geflecht wird im Rahmen dieses Dokumentes eine aus Fasern gebildete flächige röhrenförmige Struktur verstanden. Die Fasern können sich zumindest teilweise kreuzen oder ohne sich zu kreuzen nebeneinander angeordnet sein. Insbesondere sollen auch sich nicht kreuzende, um den Schlauch gewickelte Fasern als Gewebe verstanden werden. Das Geflecht kann aus Draht als Faser gebildet sein, oder es kann aus einer anderen Faser gebildet sein. Der Draht kann dabei optional mit der anderen Faser verwoben sein, oder er kann als Spule um den Schlauch gewickelt sein.
Das Geflecht kann ein„Schlauchgeflecht" sein und kann vorteilhaft wie in Figur 1 in EP 0685676 A2 gezeigt ausgestaltet sein. Das Geflecht kann dabei vor- teilhaft eine beliebige Anzahl von parallel rechts- und/oder linksumlaufenden, spiralartig gewickelten Fäden bzw. Drähten aufweisen. Vorteilhafterweise kann bei jeder Überkreuzung mal der eine, mal der andere Faden oben, also in radialer Richtung außen, laufen. Vorzugsweise geschieht das abwechselnd, muss aber nicht unbedingt sein. Ein relevanter Parameter kann der Steigungswinkel der Spiralen sein. Er bestimmt die Kinematik und damit den Zusammenhang zwischen radialer Dehnung und longitudinaler Kontraktion. Üblicherweise ist er für alle Drähte gleich und über der Länge konstant, das muss aber nicht unbedingt sein. Wenn man eine Spule als einen nicht unterbrochenen, umlaufend gewickelten
Draht versteht, dann ist eine einlagige Spule ein entartetes Geflecht mit nur einem Faden. Auch eine Spule soll daher als Geflecht verstanden werden. Eine mehrlagige Spule kann als ein Geflecht aus einem durchgängigen Faden ohne alternierende Lage (immer gleicher Draht oben) verstanden werden. Die be- vorzugte Variante, ein alternierendes Geflecht, kann z.B. aus einzelnen Drähten hergestellt sein, deren Enden an den Enden des Schlauches offen bleiben und vorteilhafterweise so verschaltet werden, dass sie eine oder mehrere „Spulen" ergeben. Was eine„Spule" hierbei kennzeichnet, ist, dass wenn man einem Leitungspfad folgt, dieser immer den gleichen Umlaufsinn erfährt. Das heißt, dass an den Enden vorteilhafterweise jeweils rechtslaufende mit linkslaufenden Drähten verbunden werden. Auf diese Weise haben alle Spulen einen gleich gerichteten magnetischen Fluss, so dass sich die Induktivität verstärkt. Eine vorteilhafte Struktur eines Geflechts zur Verwendung in der Erfindung kann beispielsweise wie in der EP 0 806 596 AI beschrieben ausgestaltet sein. Das Geflecht kann hierbei beispielsweise vier Fäden oder Drähte aufweisen, die mit ihrem Verlauf eine Schlauchform oder eine Zylinderform mit flexibler Zylinderachse beschreiben. Die Fäden oder Drähte verlaufen dabei jeweils helikal um eine gemeinsame Achse, die auch die Schlauchachse bzw. Zylinderachse ist. Die Drähte bzw. Fäden sind so miteinander verwoben, dass abwechselnd jeweils ein anderer der Drähte oder Fäden zuäußerst und zuinnerst, also der gemeinsamen Achse abgewandt bzw. zugewandt verläuft. Die Drähte bzw. Fäden bilden in diesem Fall ein schlauchförmiges oder zylinderförmiges Geflecht. Eine Variante eines solchen Geflechts kann vorteilhaft so ausgestaltet sein, dass jeweils mehrere, insbesondere 2, 3 oder 4, Drähte oder Fäden parallel zueinander verlaufen. Diese Drähte oder Fäden können dabei eine flächige Struktur wie beispielsweise ein Band beschreiben, dass wie oben für die Dräh- te oder Fäden beschrieben um die Achse helikal verläuft. Es können vorteilhafterweise auch mehr als vier Drähte, Fäden oder Bänder entsprechend der obigen Beschreibung miteinander verwoben sein.
Bevorzugterweise weist das Geflecht eine Mehrzahl von entlang ihrer Länge gegeneinander isolierten Drähten auf. Dass die Drähte entlang ihrer Länge gegeneinander isoliert sind, heißt dabei, dass jene Stellen der Drähte gegeneinander isoliert sind, an denen Drähte im Geflecht aufeinander aufliegen. Die Drähte können jedoch an ihren Enden elektrisch miteinander verbunden sein und insbesondere als Teil einer Verschaltung miteinander verbunden sein.
Bevorzugterweise sind die gegeneinander isolierten Drähte so miteinander verschaltet, dass die gesamte Induktivität des Geflechtes vergrößert ist gegenüber der Induktivität eines einzelnen Drahtes. Der besagte Schlauch kann vorteilhafterweise ein Formgedächtnislegierung aufweisen oder daraus bestehen. Auch kann der Schlauch vorteilhaft Kunststoff aufweisen oder daraus bestehen. Diese Materialien gewährleisten in besonders geeigneter Weise die Flexibilität des Schlauches. Vorteilhafterweise kann der Schlauch selbst mit einer Isolationsschicht dort überzogen sein, wo das Geflecht auf ihm aufliegt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Schlauch selbst ein elektrisch leitendes Material aufweist. Die Isolationsschicht ist also dabei zwischen dem Schlauch und dem Geflecht angeordnet.
Vorteilhafterweise ist der besagte Anschluss, über den Fluid in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist, in einer Stirnfläche des Schlauches angeordnet. Der Anschluss erstreckt sich also koaxial zur Schlauchachse durch die Öffnung des Schlauches in den Schlauch hinein. Der Anschluss kann dann eine zur Schlauchachse koaxiale Bohrung aufweisen, durch welche das Fluid in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist.
Der erfindungsgemäße Aktor kann vorteilhafterweise außerdem zumindest einen Verschluss aufweisen, mit dem der Schlauch an zumindest einem Ende fluiddicht abgeschlossen ist. Ist in der einen Öffnung des Schlauches, wie oben beschrieben, der Anschluss untergebracht, so kann der Verschluss vorteilhaft in der anderen Öffnung des Schlauches, diese verschließend, angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Schlauch mit dem ihn umgebenden Geflecht mittels zumindest einer Schelle verbunden sein, die sowohl das Geflecht als auch den Schlauch umgibt und das Geflecht mit dem Schlauch zusammendrückt. Eine derartige Schelle kann beispielsweise eine Klemmschelle oder eine Pressschelle sein. Auf diese Weise kann eine sichere Verbindung zwischen dem Schlauch und dem Geflecht hergestellt werden, so dass die Kontraktion des Geflechtes in axialer Richtung bei Ausdehnung in radialer Richtung zu einer Kontraktion des Schlauches in axialer Richtung führt. Vorteilhafterweise ist die zumindest eine Schelle so angeordnet, dass sie den Anschluss umgibt. Sie drückt also das Geflecht und den Schlauch auf den Anschluss. Entsprechend kann auch eine Schelle vorgesehen sein, die den Verschluss umgibt und das Geflecht und den Schlauch auf den Verschluss drückt.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Geflecht in einen Schlauch eingebettet sein, beispielsweise, indem es in einen Kunststoff des Schlauches eingegossen wird. Auch ein entsprechendes Verkleben ist möglich.
Der erfindungsgemäße Aktor ist mit einer Vorrichtung zur Messung einer Induktivität des Geflechtes verschaltbar. Das bedeutet, dass er zumindest einen elektrischen Anschluss aufweist, über den eine elektrische Verbindung mit der entsprechenden Messvorrichtung herstellbar ist. Auf Aktorseite ist der zumindest eine Anschluss vorteilhafterweise mit dem Draht des Geflechtes elektrisch kontaktiert, da dessen Induktivität für die Induktivität des Geflechtes ausschlaggebend ist. Wie eine Induktivität gemessen werden kann, ist dem Fachmann bekannt. Alle entsprechenden Verfahren können auch hier zur Anwendung kommen. Die Vorrichtung zur Messung der Induktivität kann auch selbst Teil des erfindungsgemäßen Aktors sein.
Das genannte Fluid kann vorteilhaft Hydraulikflüssigkeit sein, besonders bevorzugt Kochsalzlösung, körperverträgliches Silikonöl oder Gas wie z.B. Luft, da hierdurch das Risiko für den Patienten bei Einsatz in chirurgischen Anwendungen minimiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren angegeben, mit dem die Auslenkung eines Aktors messbar ist. Dabei hat der Aktor selbst die oben be- schriebene Struktur.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Die dabei beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein und unter den Beispielen miteinander kom- biniert werden.
Es zeigt
Figur 1 ein Schnittbild eines beispielhaften erfindungsgemäßen Aktors,
Figur 2 die relative theoretische und gemessene Induktivitätsänderung in Abhängigkeit von der relativen Längenänderung bei einer Zylinderspule als einfaches Modell für das erfindungsgemäße Geflecht, Figur 3 einen Versuchsaufbau zur Evaluierung des erfindungsgemäßen Prinzips,
Figur 4 eine beispielshafte Struktur eines Geflechts, Figur 5 ein weiteres Beispiel einer Struktur eines Geflechts und
Figur 6 ein weiteres Beispiel einer Struktur eines Geflechts.
Figur 1 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemä- ßen Aktors. Der Aktor weist einen flexiblen Schlauch 1 sowie einen Anschluss
2 auf, über den Fluid in den Schlauch eindringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist. Der gezeigte beispielhafte Aktor weist außerdem einen Verschluss 3 auf, mit dem der Schlauch 1 an seinem dem Anschluss 2 gegenüberliegenden Ende fluiddicht abgeschlossen ist. Der Anschluss 2 ist mit dem Schlauch mittels einer Schelle 4 verbunden. Dabei steckt der Anschluss 2 bereichsweise im Inneren des Schlauches 1 und die Schelle 4 umgibt den Schlauch in einem Bereich, in welchem der Anschluss 2 im Inneren des Schlauches 1 vorliegt und drückt den Schlauch 1 gegen eine Außenwand des Anschlusses 2.
Entsprechend steckt auch der Verschluss 3 am gegenüberliegenden Ende teilweise im Inneren des Schlauches 1. In diesem Bereich wird der Schlauch 1 mittels einer weiteren Schelle 5 auf den Verschluss 3 gedrückt. Auf diese Weise wird der Schlauch 3 im Schlauch 1 festgehalten.
Der erfindungsgemäße Aktor weist im gezeigten Beispiel außerdem ein Geflecht 6 auf, welches den Schlauch 1 umgibt. Das Geflecht weist hierbei Draht auf oder besteht daraus. Insbesondere kann das Geflecht eine Mehrzahl von entlang ihrer Länge gegeneinander isolierten Drähten aufweisen, die beson- ders vorteilhaft so verschaltet sein können, dass die Gesamtinduktivität erhöht ist gegenüber der Induktivität eines einzelnen Drahtes. Das Geflecht kann beispielsweise eine Struktur einer Doppelhelix haben. Es ist im gezeigten Beispiel ebenfalls schlauchförmig. Sowohl der Anschluss 2 als auch der Verschluss 3 erstrecken sich durch die entsprechenden Stirnöffnungen des Geflechts 6 in das Innere des Geflechtes 6. Der Anschluss 2 wird mittels einer Schelle 7 mit dem Geflecht 6 in einem Bereiche nahe des Endes des Geflechtes 6 zusammengedrückt. Der Verschluss 3 wird mit dem Geflecht 6 durch eine weitere Schelle 8 nahe dem gegenüber- liegenden Ende des Geflechtes 6 zusammen gedrückt. Sowohl der Anschluss 2 als auch der Verschluss 3 weisen hinter der jeweiligen Schelle 7 bzw. 8 in Richtung dem Inneren des Geflechts 6 einen Bereich mit vergrößertem Radius auf, der das Geflecht 6 von der Oberfläche des Schlauches 1 und auch der Oberfläche der Schellen 4 und 5 beabstandet.
Der Anschluss 2 weist koaxial zur Zylinderachse des Anschlusses 2 und zur Schlauchachse des Schlauchs 1 eine Bohrung 9 auf, die sich vom außenliegenden Ende des Anschlusses 2 bis zum gegenüberliegenden Ende des Anschlusses im Inneren des Schlauches 1 erstreckt, durch welche Fluid in den Schlauch einbringbar und aus dem Schlauch ableitbar ist.
Der gezeigte Aktor kann als hydraulischer Hochdruckmuskel angesehen werden. Die abgestufte Form des Anschlusses und des Verschlusses dienen zur definierten Positionierung des Schlauches 1 und des Geflechtes 6. Durch die axiale Positionierung der Bohrung 9 ist der Aktor besonders kompakt reali- sierbar. Da aufgrund der geringen Abmessungen für die Anwendung in der minimal invasiven Medizin Drücke von bis zu 50 bar notwendig sind, kommen vorteilhafterweise metallische, korrosionsbeständige Werkstoffe zum Einsatz. Die Verwendung von Schellen erlaubt eine ausreichende Befestigung des Schlauches und des Geflechts auch bei kleinen Durchmessern von beispiels- weise < als 5 mm. Es können beispielsweise spezielle angefertigte Klemm-/ bzw. Pressschellen verwendet werden. Bevorzugt können Klemmschellen aus Formgedächtnislegierungen verwendet werden, bei denen der Einwegeffekt dieser Materialien ausgenutzt wird. Der Schlauch kann vorteilhaft ein Kunststoff- oder Formgedächtnisröhrchen sein. Dieses dehnt sich bei einer Druckbeaufschlagung aus. Unter Ausnutzung des superelastischen Effektes von Formgedächtnislegierungen können bei großer Materialfestigkeit große Verformungen erreicht werden. Vorteilhafterweise ist das Röhrchen mit einer Isolationsschicht überzogen, um die be- schriebene Wegmessung verwenden zu können. Besonders vorteilhaft sind die Drähte mit einer Isolationsschicht überzogen. Das Geflecht kann die Struktur einer Doppelhelix haben, wenn eine ausreichende Stabilität gewährleistet ist. Das Geflecht kann vorteilhafterweise so ausgestaltet sein, dass sich der Aktor bei Druckbeaufschlagung radial ausdehnt und axial zusammenzieht.
Das Geflecht weist vorteilhafterweise mehrere umlaufende Drähte auf. Jeder dieser Drähte kann hierbei näherungsweise als Zylinderspule angesehen werden. Verknüpft man die Drahtenden an den Enden des Muskels korrekt, las- sen sie sich zu einer Spule höherer Induktivität kombinieren. Durch die Änderung des Radius und der Länge dieser sich ergebenden Spule ändert sich auch ihre Induktivität. Diese lässt sich damit als Maß für die Position des Aktors verwenden.
Für die Induktivität L einer langen Zylinderspule gilt näherungsweise
L = N2 ■ ^·
i
Dabei bezeichnet N die Windungszahl, μ0 die Permeabilität des Vakuums, μΓ die Permeabilitätszahl des Spulenkerns, A die Querschnittsfläche der Spule und I die Länge der Spule. Da die Spule bzw. das Geflecht bei einer Verlängerung dünner wird, ist A eine Funktion der Längenänderung ΔΙ. Würde sich der Durchmesser der Spule homogen über die Länge ändern, würde bei Erhalt des kreisförmigen Querschnitts und der Länge der Drähte der kinematische Zu- sammenhang Α(ΔΙ) = [(2nNrQ)2 — AI■ (2lQ + AZ)]gelten, wobei l0 und r0 die ursprüngliche Länge bzw. den ursprünglichen Radius bezeichnen.
Zwischen der relativen Änderung der Induktivität AL/L0 und der relativen Längenänderung ΔΙ/Ιο der Spule besteht der Zusammenhang
AL _ 1 l0M
T ~ 1 + 1
M ~ 1 ~ 2nNr0)2 '
lo wobei, N die Zahl der Windungen eines einzelnen Drahtes und r0 den Radius des Geflechtes für ΔΙ/Ι0=0 bezeichnet. Mittels dieses Zusammenhanges kann auch direkt auf die Längenänderung der Spule geschlossen werden.
Der theoretische Zusammenhang ist in Figur 2 als schwarze Linie ohne Messpunkte gezeigt, wobei von l0=47.5 mm und L0=18.2713 μΗ ausgegangen wurde.
Ein Versuchsaufbau zur Evaluierung des Prinzips ist in den Figuren 3 gezeigt. Dabei weist das Geflecht 6 Lackdraht auf, der um den Schlauch 1 gewickelt ist.
Figur 3 zeigt im linken Teilbild den Aktor im normalen Zustand und im rechten Teilbild im gestauchten Zustand. Es wurde hier das Geflecht verschoben, wo- bei es näherungsweise die gleiche Verformung erfährt wie bei einem Aufpumpen des Schlauches.
Figur 2 zeigt die an dem in Figur 3 gezeigten Prototyp mittels eines
Impedanzanalysators gemessene relative Änderung der Induktivität AL/L0 [%] in Abhängigkeit von der relativen Änderung der Spulenlänge ΔΙ/Ι0 [%] als graue Linie mit Messpunkten, wobei von l0=47.5 mm und L0=18.2713 μΗ ausgegangen wurde. Die Gesamtwindungszahl α■ N wurde mit 158 bestimmt und die Zahl der Drähte α war 12. Eine derartige Abhängigkeit kann für jeden erfindungsgemäßen Aktor festgestellt werden und dann dazu verwendet werden, einer gemessenen Induktivität eindeutig eine Auslenkung bzw. Länge des Aktors zuzuordnen.
Figur 4 zeigt ein Beispiel eines Geflechts, wie es in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen kann. Das Geflecht ist auch in der EP 0 806 596 AI beschrieben. Das Geflecht weist hier vier helikal verwundene Drähte 10a, 10b, 10c und lOd auf, die im gezeigten Beispiel bandförmig sind. Die Drähte 10a, 10b, 10c und lOd sind um eine gemeinsame Achse gewunden und beschreiben eine schlauchförmige bzw. zylinderförmige Fläche. Die Drähte 10a, 10b, 10c und lOd sind so miteinander verwoben, dass abwechselnd einer der Drähte 10a, 10b, 10c und lOd zuäußerst liegt, d. h. der gemeinsamen Achse abgewandt und einer der Drähte 10a, 10b, 10c und lOd zuinnerst, d. h. der gemeinsamen Achse zugewandt. Die Bänder 10a, 10b, 10c und lOd bilden hier ein schlauchförmiges oder zylinderförmiges Gewebe. Der Steigungswinkel, mit dem die Drähte 10a, 10b, 10c und lOd gewunden sind, ist für alle der Drähte gleich und beträgt im gezeigten Beispiel ungefähr 45°.
Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Geflechts, wie es erfindungsgemäß zur Anwendung kommen kann. Wie in Figur 4 sind auch in Figur 5 vier Bänder 10a, 10b, 10c und lOd miteinander zu einer Schlauchform oder Zylinderform um eine gemeinsame Achse verwoben. Die Bänder 10a, 10b, 10c und lOd verlaufen um die gemeinsame Achse helikal. Während in Figur 4 die Bänder 10a, 10b, 10c und lOd flach sind, sind sie in Figur 5 aus jeweils vier zylinderförmigen Drähten IIa, IIb, 11c und lld zusammengesetzt. Die vier zylinderförmigen Drähte IIa, IIb, 11c und lld jeweils eines Bandes verlaufen zueinander parallel und bilden gemeinsam die Fläche des Bandes. In den Figuren 4 und 5 ist das Geflecht so gezeichnet, dass benachbarte Bänder einen Abstand haben, sodass zwischen den Bändern 10a, 10b, 10c und lOd Lücken zum Inneren der Schlauchstruktur vorliegen.
Figur 6 zeigt ein Beispiel eines Geflechts, das erfindungsgemäß zum Einsatz kommen kann, bei dem 11 Bänder A, B, C, D, E, F, G, H, I, J und K miteinander verwoben sind. Diese Bänder entsprechen den Bändern 10a, 10b, 10c und lOd in den Figuren 4 und 5. Die Bänder A bis K sind hier so verwoben, dass sie die Oberfläche des Schlauches vollständig ausfüllen. Es bleiben also keine Lücken zum Inneren des Schlauches. Um die Verwebung der Bänder A bis K besser erläutern zu können, ist die in Figur 6 gezeigte Struktur nach unten aufgefächert gezeigt. In allen Figuren 4, 5 und 6 kann die gezeigte Struktur über eine beliebige Länge entlang der entsprechenden Zylinderachse fortgeführt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Aktor mit
einem flexiblen Schlauch,
einem Anschluss, über den Fluid in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist,
und einem Geflecht, welches den Schlauch entlang dessen Umfang auf zumindest einem Teil dessen Länge umgibt,
wobei das Geflecht leitfähigen Draht aufweist oder daraus besteht, wobei der Aktor mit einer Vorrichtung zur Messung einer Induktivität des Geflechtes verschaltbar ist.
2. Aktor nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei das Geflecht eine Mehrzahl von entlang ihrer Länge gegeneinander isolierten Drähten aufweist.
3. Aktor nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei die gegeneinander isolierten Drähte so verschaltet sind, dass sie als eine oder mehrere Spulen mit gleichgerichtetem magnetischen Fluss wirken.
4. Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Geflecht eine Mehrzahl von verwobenen Drähten aufweist.
5. Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Schlauch eine Formgedächtnislegierung oder Kunststoff aufweist oder daraus besteht.
6. Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Schlauch zumindest dort mit einer Isolationsschicht zwischen dem Schlauch und dem Geflecht überzogen ist, wo das Geflecht auf ihm aufliegt.
Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
aufweisend einen Verschluss, mit dem der Schlauch an einem Ende fluiddicht abgeschlossen ist.
Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Geflecht mit dem Schlauch über zumindest eine Schelle, eine Klemmschelle oder eine Pressschelle verbunden ist, welche den Schlauch und das diesen umgebende Geflecht umgibt.
Aktor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Schelle den Anschluss und/oder den Verschluss umgibt.
Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Geflecht in ein Material des Schlauches eingegossen ist.
Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anschluss sich im Schlauch in Richtung einer Zylinderachse des Schlauches erstreckt und eine Bohrung mit zur Zylinderachse koaxialer Bohrungsachse aufweist, die sich durch den Anschluss erstreckt.
Verfahren zur Messung der Auslenkung eines Aktors, wobei der Aktor einen flexiblen Schlauch,
einen Anschluss, über den Fluid in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist,
und ein Geflecht, welches den Schlauch entlang dessen Umfang auf zumindest einem Teil dessen Länge umgibt, aufweist
wobei das Geflecht leitfähigen Draht aufweist oder daraus besteht, wobei eine Induktivität des Geflechts gemessen wird und aus der gemessenen Induktivität auf die Auslenkung des Aktors geschlossen wird.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Aktor ein Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ist.
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