Simulation des Schwerkraft-Kompensationsmechanismus im Dexter Chirugierobotersystem mit Ansys Workbench
Branche: Gesundheit, MedizintechnikFachgebiet: StrukturmechanikDistalmotion ist ein schweizer Unternehmen aus der Medizintechnik, das neue Standards für die Chirurgie, Gynäkologie und Urologie setzt. Den Patienten wird somit die optimale minimalinvasive Behandlung ermöglicht. Dafür wurde der chirurgische Roboter Dexter entwickelt, der die Vorteile von Laparoskopie und Robotik vereint. Im Entwicklungsprozess konnte mit Hilfe von Simulation ein Fehlermodus im Kraftübertragungssystem eines Prototyps ermittelt werden und der weitere Designprozess somit optimiert werden.
Zusammenfassung
Aufgabe
Die Konsole ist eine Schlüsselkomponente im Dexter Robotersystem. Sie muss die Bewegungen des Operateurs präzise erfassen, um sie an die Roboterarme zu übertragen, die die chirurgischen Instrumente bedienen. In diesem Projekt sollte während des Entwicklungsprozesses ein aufgetretener Fehlermodus im Übertragungssystem eines Prototyps ermittelt werden umdie weitere Konstruktion zu optimieren.
Lösung
Die Simulation half, den endgültigen Entwurf durch den Wegfall des Zwischenarms erheblich zu vereinfachen und so die Gesamtverformung um 50 % zu reduzieren. So wurde ein homogenes Verhalten unabhängig von der Position erreicht.
Kundennutzen
Distalmotion profitierte dabei gleich in doppelter Hinsicht von der Zusammenarbeit mit CADFEM: Zum einen durch die Nutzung der Vorteile der Lizenzierung über das Ansys Startup Programm, zum anderen durch die fachliche Unterstützung der CADFEM Spezialisten bei der effizienten Durchführung der Simulationen.
Beim Dexter Chirurgieroboter ist die Konsole des Chirurgen ein Schlüsselelement des Systems, da sie für die präzise Erfassung der Bewegungen des Operateurs verantwortlich ist. Denn diese werden an die Roboterarme übertragen, die die chirurgischen Instrumente bedienen. Diese Bewegungen werden von passiven Masterarmen mit verschiedenen Sensoren empfangen. Damit der Chirurg seine Bewegungen so präzise wie möglich ausführen kann und das System diese Bewegungen exakt überträgt, müssen diese Masterarme einen möglichst geringen Widerstand aufweisen. Das bedeutet, dass die Kraft, die zur Bewegung dieser Arme erforderlich ist, gering und über den gesamten Arbeitsbereich konstant sein muss. Um dies zu erreichen, muss wiederum die Schwerkraft, die durch die Massen der beweglichen Elemente verursacht wird, so genau wie möglich und entsprechend der Position des Masterarms kompensiert werden. Das Ausgleichssystem für die beiden Freiheitsgrade, die wesentlich von der Schwerkraft beeinflusst werden, ist passiv, wobei die Ausgleichskraft ausschließlich durch lineare Druckfedern bereitgestellt wird.
Bei Entwicklung eines funktionsfähigen Prototyps wurde festgestellt, dass der Ausgleichsmechanismus für den ersten Freiheitsgrad perfekt funktionierte, für den zweiten Freiheitsgrad jedoch nicht optimal war, da sich in bestimmten Bereichen des Arbeitsbereichs eine spürbare variable Verschiebungskraft zeigte. Schnell war klar, dass das Problem welches im besagten Prototypen festgestellt wurde vom Kraftübertragungssystem zwischen dem ersten und dem zweiten Freiheitsgrad herrührte, einem Parallelogramm-Mechanismus. Ziel des Projekts war es deshalb in diesem Prototypen den Fehlermodus des Kraftübertragungssystems zu identifizieren und die Konstruktion entsprechend zu optimieren.
Die Struktursimulation ersparte kostspielige Prüfschritte und ermöglichte eine schnelle Lösung bei gleichzeitiger Vereinfachung des Entwurfs. Die Analyse verbesserte auch das Verständnis der verschiedenen Kräfte, die an der Übertragung beteiligt sind, und trug dazu bei, eine Lösung zu finden, die den von den Benutzern erwarteten Spezifikationen entspricht. Darüber hinaus ermöglichte der Zugang zum Ansys Startup Programm von CADFEM Distalmotion die Integration der Simulation in Forschungs- und Entwicklungsprozesse, um die Produktentwicklung von Anfang an zu beschleunigen und effizienter zu gestalten.
Die Strukturanalyse des ursprünglichen Entwurfs ermöglichte es, die Art des Versagens des Prototyp-Getriebes schnell zu ermitteln, d. h. eine übermäßige Verformung des Parallelogramms aufgrund einer suboptimalen Konstruktion und einer unterschätzten Torsionsbelastung. Die Simulationen wurden in Ansys Workbench mit dem Modul für statische Analysen durchgeführt. Die Simulation ermöglichte eine erhebliche Vereinfachung des endgültigen Entwurfs durch Streichung des Zwischenarms, der zu Torsionsbrüchigkeit führte, und durch Anpassung der Materialwahl, um die Gesamtverformung um 50 % zu reduzieren und ein homogenes Verhalten unabhängig von der Position zu erreichen.
