DIY-MedTech Roboter Basics - Team Hacker

Vorbereitung
Da sich die Mitglieder des Teams Hacker für Roboter interessieren, haben sie sich dazu entschieden, dieses Thema zu bearbeiten. Zuerst muss noch viel Wissen erarbeitet werden. Dazu ist in der Blockwoche Zeit vorgesehen. Eigenes Wissen zu erarbeiten, wird gross geschrieben und ist ein wichtiger Bestandteil dieses Moduls. Zuerst diskutierte das Team, wie es vorgehen wollte. Dann entschied sich die Gruppe dafür, eine Arbeitsaufteilung zu machen. Zwei Mitglieder übernahmen den theoretischen und zwei den praktischen Teil der Vorbereitungen für den Skill Share am Donnerstag Nachmittag. Zur theoretischen Vorbereitung gehört das Aufarbeiten von Wissen in den Bereichen Roboter Grundlagen, Roboterarten und Anwendungen in der Medizintechnik.

Im praktischen Teil der Vorbereitungen versuchen zwei Mitglieder, den nicht mehr gebrauchten Roboter Mitsubishi Movemaster EX auseinander zu nehmen und zu verstehen. Die Bilder rechts zeigen den Roboter in Arbeit. Das Ziel ist es, die einzelnen Achsen mit dem Arduino und dem daraufgesteckten MotorShield zu steuern und den Mitstudenten während der Skill Share Session zu demonstrieren. Es ist gelungen, dass die z-Achse wie im Video unten bewegt werden kann.

Mitsubishi Movemaster EX gesteuert von Arduino mit MotorShield

Bis am Donnerstag Mittag war die Programmierung des Mitsubishi Roboters noch nicht ausgereift. Die Gruppe entschied sich, stattdessen einen Ausflug ins Produktrionstechniklabor der HSLU zu machen. In diesem Labor sind mehrere Roboter verschiedener Marken vorhanden. Da ein Student der Gruppe während der Arbeit an seinem Insustrieprojekt mit dem Roboter Kuka LBR iiwa gearbeitet hat, will er an diesem eine kleine Demonstration für die Mitstudenten machen.

Was ist ein Roboter?
Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet man mit Roboter meist eine Maschine, die dem Aussehen des Menschen nachgebildet ist und/oder Funktionen übernehmen kann, die sonst von Menschen ausgeführt werden. Eine offizielle Definition des Begriffs gibt es nicht. Unten sind einige Begriffe aus verschiedenen Quellen aufgelistet:

Wikipedia: Ein Roboter ist eine technische Apparatur, die üblicherweise dazu dient, dem Menschen mechanische Arbeit abzunehmen. Es ist eine automatisierte Maschine, die den Menschen unterstützt. Wichtigste Bestandteile eines Roboters sind die Sensoren zur Erfassung der Umwelt und der Achspositionen, die Aktoren zum Agieren innerhalb der erfassten Umgebung, die Robotersteuerung und das mechanische Gestell inklusive der Getriebe.

Robotics Institute of America (RIA): Ein Roboter ist ein programmierbares MehrzweckHandhabungsgerät für das Bewegen von Material, Werkstücken, Werkzeugen oder Spezialgeräten. Der frei programmierbare Bewegungsablauf macht ihn für verschiedenste Aufgaben einsetzbar.

Definition nach VDI (Verein Deutscher Ingenieure) (Richtlinie 2860): Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei (d.h. ohne mechanischen Eingriff) programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.

Welche Arten von Robotern gibt es?
Es exisiert eine Vielzahl von verschiedenen Roboterarten. Durch die Digitalisierung unterstützt, erhöht sich die Anzahl dieser laufend. Die nachfolgende Grafik zeigt die wichtigsten Arten auf. Bei der Skill Share Session wurden die Roboterarten auf spielerische Art und Weise kennengelernt. Die Gruppe hat die untenstehenden Bilder und Beschreibungen ausgedruckt und die Studenten, die die Skill Share Session besuchten, waren gebeten, die Bilder den Beschreibungen zuzuordnen. Der Aufklärungs- und der Industrieroboter wurden problemlos erkannt. Auch der Beam- und der Transportroboter wurden nach längerem Überlegen richtig zugeordnet. Nur den Personal- und Serviceroboter haben die Studenten vertauscht.



Anwendungen in der Medizintechnik
Roboter finden immer häufiger Anwendung in der Medizintechnik. Sie überzeugen vor allem durch ihre Zuverlässigkeit, hohe Genauigkeit und Flexibilität. In den folgenden Absätzen werden drei Einsatzfelder näher vorgestellt.

Exoskelett
In Neuseeland entwickelte die Firma Rex Bionics vor rund 15 Jahren das Exoskelett Rex. Was genau ein Exoskelett ist, beschreibt Anja Schütz der maxon motor ag folgendermassen: "Ein Exoskelett stützt den menschlichen Körper von aussen. Exoskelette werden entwickelt, um Menschen mit Bewegungseinschränkungen das Gehen zu ermöglichen, was ihre Stärke und Ausdauer verbessert. Rex sorgt dafür, dass diese Menschen wieder stehen, laufen, aufstehen, sich umdrehen und sich selbstständig hinsetzen können.Seitwärtsbewegungen, Treppensteigen und das Gehen auf harten, flachen Oberflächen, inklusive Steigungen und Abhänge sind ebenfalls problemlos möglich. […] Die grössten Herausforderungen im Entwicklungsprozess waren laut Richard Little, die Entwicklung der sehr komplexen Robotik-Plattform, welche gleichzeitig sehr leicht sein sollte. […] Rex ist ein hochkomplexes elektromechanisches Gerät – jedes Exoskelett enthält Tausende von Präzisionsteilen inklusive der Gliedmassen, die durch ein Netzwerk von 29 Mikro-Controllern gesteuert werden."

Mehr Informationen zu diesem Thema finden sich in dem Originalartikel.

OP-Roboterchirurg
Um das umliegende Gewebe bei einer Operation möglichst wenig zu verletzen und eine schnelle Genesung zu erzielen, ist sehr genaue Arbeit gefordert. Ein Robotersystem in diesem Bereich einzusetzen, ist sinnvoll, da dieser ruckelfreie und sehr präzise Bewegungen ausführen kann. Martin Rüegg der maxon motor ag stellt das da Vinci™S HD-Operationssystem der Intuitive Surgical Inc. aus Kalifornien etwas näher vor: "Das da Vinci S HD-Operationssystem erlaubt es dem Chirurgen durch kleine angelegte Öffnungen minimalinvasiv zu operieren. […] Das Operationssystem selbst benötigt nur drei 8 mm, respektive 12 mm kleine Schnitte im Körper eines Patienten durch die zwei Instrumentenarme und eine Kamera in den Körper eingebracht werden. Nur der Roboter und die Operationsassistenten stehen über den Patient gebeugt, während der Chirurg, der das System bedient, an anderer Stelle im Operationssaal an der Steuerkonsole sitzt, wohin selbst das „Look and Feel“ einer offenen Operation präzise dupliziert wird. Das da Vinci S HD-Operationssystem besteht aus drei Hauptkomponenten: der Operationskonsole, einem mobilen Instrumententräger neben dem Operationstisch und der Bildverarbeitungseinheit. Kernstück des Systems ist die Steuerkonsole; von ihr aus hat der Chirurg jederzeit die volle Kontrolle über die Operation." Mehr Informationen zu diesem Thema finden sich in dem Originalartikel.

Handprothetik
Die Michelangelo Hand der Firma Otto Bock Suisse AG ermöglicht es, die Bewegungsmuster in Alltag, Freizeit und Berufsleben nach einer Amputation der Hand zurückzuerlangen. Die Firma beschreibt das Produkt wie folgt: "Kaum ein anderer Teil des menschlichen Körpers ist so komplex aufgebaut wie unsere Hände. Nur durch das perfekte Zusammenspiel von Nerven, Sehnen, insgesamt 27 Knochen, 39 Muskeln und 36 Gelenken können wir alltägliche Dinge ganz selbstverständlich ausführen. Möglichst viele dieser zahlreichen Funktionen anhand von Prothesen nachzubilden, ist eine der größten Herausforderungen der Medizintechnik. Die Michelangelo Hand gibt mit ihren sieben unterschiedlichen Greifmöglichkeiten zahlreiche Funktionen der natürlichen Hand zurück. Ihre Griffkraft liegt zwischen 6 und 7 kg. […] Die Ansteuerung der Michelangelo Hand beruht auf dem Axon-Bus-System […]. Es wurde von sicherheitsrelevanten und vielfach erprobten Systemen aus der Luftfahrt und der Automobilindustrie abgeleitet. Der Vorteil ist, dass es sich beim Axon-Bus-System um ein in sich geschlossenes Datenübertragungssystem handelt. Die einzelnen Komponenten sind optimal aufeinander abgestimmt." Die elektrischen Signale der Muskeln werden von Elektroden auf der Haut aufgenommen und auf die Sensoren in der Prothese übertragen. Dies ermöglicht die Bewegung der Handprothese. Der Umgang und die Griffmöglichkeiten mit dieser Prothese müssen vor dem Gebrauch am besten in Begleitung eines Therapeuten erlernt werden. So kann dann auch die notwendige Kraft, um Gegenstände zu halten, eigenständig dosiert werden.

Roboter Demonstration
Im Produktionstechniklabor hat das Gruppenmitglied den kollaborativen KUKA LBR iiwa Roboter demonstriert. Er hat die Bedienung via Fernbedienung erklärt und das Programm gezeigt, das er während des Industrieprojekts entwickelt hat. Desweiteren liess er ein Programm laufen, mit dem der Roboter immer wieder in die Ausgangsposition zurück geht. Dieses ist im Video unten zu sehen.

KUKA LBR iiwa

Erfahrungen
So wie es scheinte, waren die Besucher der Skill Share Sessions begeistert vom Thema. Besonders gut ist die Demonstration im Produktionstechniklabor angekommen. Auch teamintern konnte viel gelernt werden. Alle Teammitglieder konnten das Thema mit ihren persönlichen Interessen verbinden und den Teammitgliedern gegenseitig vorstellen. Drei von vier Mitgliedern waren am Tag der Skill Share Session zum ersten Mal im Produktionstechniklabor und waren fasziniert von den verschiedenen Robotern und den Projekten, die daran durchgeführt werden.

Links
Zu Team Hacker

Zu Medizintechnik DIY

Category:MedTech-DIY