Steuerung von Miniaturhydraulikantrieben für die Medizintechnik auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten

Abstract

Durch die Entwicklung kompakter Operationsroboter werden in der modernen Medizin neuartige Eingriffe möglich, bei denen Patienten während des Eingriffs in einem Computertomographen liegen. Um solche Roboter zu miniaturisieren, können neue Aktorkonzepte mit hoher Leistungsdichte zum Einsatz kommen. Ein solches Prinzip sind hydraulische Aktoren mit Ausnutzung des elektrorheologischen Effekts. Bei diesem Aktorprinzip wird eine elektrorheologische Flüssigkeit als Hydraulikmedium eingesetzt und es werden Elektroden in die Hydraulikkanäle integriert, um das Verhalten der Flüssigkeit über elektrische Felder zu steuern. Zur Auslegung elektrorheologischer Hydraulikventile wurde in der vorliegenden Arbeit ein Modell entwickelt, welches das Verhalten einer elektrorheologischen Flüssigkeit in einem hydraulischen System beschreibt. Es wurde ein Versuchsstand zur Charakterisierung der rheologischen Eigenschaften und des dynamischen Verhaltens der Flüssigkeit aufgebaut. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse und zusätzlicher Simulationen wurde ein Modell zur Beschreibung des Verhaltens der Flüssigkeit in einem Hydraulikkanal unter Einwirkung eines elektrischen Felds erstellt. Es wurde eine Ansteuerung entwickelt, mit der mittels einer pulsbreitenmodulierten Hochspannung eine stufenlose Druckdifferenz in einem elektrorheologischen Ventil erzeugt werden kann, die die kontinuierliche Steuerung eines miniaturhydraulischen Aktors ermöglicht. Als Ergebnis der Arbeit wird ein strukturiertes Vorgehen vorgeschlagen, das die notwendigen Experimente für die Messung der Eigenschaften einer elektrorheologischen Flüssigkeit beschreibt und es wurde ein Simulationsmodell entwickelt, welches die Auslegung elektrorheologischer Ventile ermöglicht.

The development of compact surgical robots allows novel interventions in modern medicine, where patients lie in a computed tomography scanner during the procedure. To miniaturize such robots, new actuator concepts with high power density can be used. One such principle is hydraulic actuation based on the electrorheological effect. In this actuation principle, an electrorheological fluid is used as the hydraulic medium and electrodes are integrated into hydraulic channels to control the behavior of the fluid via electric fields. For the design of electrorheological hydraulic valves, a model was developed to describe the behavior of an electrorheological fluid in a hydraulic system. A test setup was developed to characterize the rheological properties and dynamic behavior of the fluid. Based on the experimental results and additional simulations, a model was created that describes the behavior of the fluid in a hydraulic channel under the influence of an electric field. It was possible to develop a control system that could be used to generate a continuous pressure difference in an electrorheological valve by means of a pulse-width modulated high voltage, allowing continuous control of a miniature hydraulic actuator. As a result of the work, a structured procedure describing the necessary experiments for the measurement of the properties of an electrorheological fluid is proposed and a simulation model was developed to enable the design of electrorheological valves.