In 14 Arbeitsstationen wird das „technische Innenleben“ der crashaktiven Kopfstützen zusammengebaut. Bild: Deprag Schulz

Crashaktive Kopfstützen sind eine Spezialität der Grammer AG. Unlängst hat das Zulieferunternehmen den Amberger Automations-Spezialisten Dreprag Schulz mit der Entwicklung von Montageanlagen für crashaktive Kopfstützen an Vordersitzen beauftragt, die in Polen und Mexiko zum Einsatz kommen. Kopfstützen am Autositz gehören heute zum passiven Sicherheitssystem jedes Fahrzeugs. Sie vermindern jähe Krafteinwirkungen auf die empfindliche Halswirbelsäule. Der Schutz der Fahrzeuginsassen vor Verletzungen bei Verkehrsunfällen bleibt eine der Kernaufgaben im Automobilbau. Im vergangenen Jahr ist es gelungen, die Zahl der Verkehrstoten weiter zu senken. Intelligente Kopfstützen reduzieren Anzahl tödlicher Unfälle Mit 4500 tödlich Verunglückten starben auf unseren Straßen zehn Prozent weniger Menschen als im Vorjahr. Mehr Sicherheit bei den Autos ist einer der Gründe für die erfreulich gesunkene Zahl. Intelligente Kopfstützen, die sich beim Aufprall nach vorne neigen und den Kopf wertvolle Millisekunden eher auffangen, leisten dazu ihren Beitrag. Bei starkem Verzögern des Fahrzeugs durch Vollbremsung oder Aufprall auf ein Hindernis geschieht es: Nach dem physikalischen Trägheitsgesetz schnellt der Kopf des Fahrzeuginsassen zunächst nach vorne, um dann im Moment des Fahrzeugstillstands wieder nach hinten zu schlagen. Ohne Kopfstützen würden die Halswirbel über ihre Belastungsgrenze nach hinten überdehnt. Von Halswirbelsäulen-Schleudertrauma, Nervenquetschung bis Schädel-Hirn-Trauma reichen die medizinischen Folgen. Daher sind heutzutage Kopfstützen auf den vorderen Autositzen bei Fahrzeugen bis 3,5 t zwingend vorgeschrieben. Vor allem bei einem Heckaufprall wird durch die Kopfstütze eine Überdehnung der Halswirbelsäule verhindert. Innovative, sogenannte crashaktive Kopfstützen gehen noch einen Schritt weiter. Sie stoppen vorzeitig die Beschleunigung des Kopfes nach hinten und vermindern so Verletzungen der Halswirbelsäule.

Aktive Kopfstützen strecken sich dem Kopf entgegen

Karl Meier (Kamei) gilt als der Erfinder der ersten Sicherheits-Kopfstützen, die 1952 vorgestellt wurden. Inzwischen gibt es neben den Standard-Kopfstützen auch „aktive“ Modelle, die sich beim Unfall dem Kopf schützend „entgegenstrecken“. Oder in die Kopfstützen sind Bildschirme als Teil des Multimediasystems im Auto eingebaut. Die Passagiere im Fond des Wagens können damit fernsehen, im Internet surfen oder Computerspiele spielen.
Solche crashaktiven Kopfstützen gehören zum Produktportfolio der Amberger Grammer AG. Das Unternehmen ist spezialisiert auf die Entwicklung und Herstellung von Komponenten und Systemen für die Pkw-Innenausstattung sowie von Fahrer- und Passagiersitzen für Offroadfahrzeuge, Lkw, Busse und Bahnen. In seinem umsatzstärksten Unternehmensbereich „Automotive“ liefert der bayerische Hersteller unter anderem auch Kopfstützen an namhafte Pkw-Hersteller und die Systemlieferanten der Fahrzeugindustrie.

Prozesssicherheit ist bei der Montage oberstes Gebot

Doch wie entsteht eigentlich eine Kopfstütze? Als Bestandteil der passiven Sicherheit im Fahrzeug muss bei ihrer Herstellung auf höchste Präzision geachtet werden. Prozesssicherheit ist oberstes Gebot, alle Montageschritte werden elektronisch überwacht und dokumentiert. Die Grammer AG hat jüngst den ebenfalls in Amberg ansässigen Automations-Spezialisten Deprag Schulz u. Co. mit der Entwicklung neuer Montageanlagen für innovative crashaktive Kopfstützen an Vordersitzen beauftragt. Die Montageanlagen kommen in Grammer-Werken in Polen und Mexiko zum Einsatz.

In 14 Schritten zur fertigen Kopfstütze

In 14 Arbeitsstationen wird das technische Innenleben der crashaktiven Kopfstützen zusammengebaut. Es besteht aus drei Teilen, die als „ZB-Auslöseeinheit“, „Träger-CAK“ und „Schlitten“ bezeichnet werden. Ausgangspunkt der Montagestrecke sind zwei Handarbeitsplätze, an denen Monteure die Werkstückträger mit einer „Auslöseeinheit“, einem „Träger“, einem „Schlitten“ und zwei Führungsfedern bestücken. Die Werker geben den Weg frei: Die Kopfstützenbauteile werden nun während ihrer Reise durch die Montagebahn Stück für Stück zusammengefügt.
An Station 2 überprüft die Montageanlage, ob alle erforderlichen Bauteile eingelegt und korrekt positioniert wurden. Auch Station 3 ist zunächst eine Prüfstation. Die „ZB-Auslöseeinheit“ wird mit Sensoren getestet: Ist das zugehörige Label vorhanden, stimmen die manuell montierten Zentrierungen? Wenn ja, kann die „Auslöseeinheit“ in den „Träger-CAK“ eingefügt und verschnappt werden.

Mensch und Maschine arbeiten eng zusammen

Nun ist Station 4 erreicht: Mit einem Linearfördersystem werden je Werkstück zwei Führungsrohre vereinzelt, justiert und in Position gebracht, anschließend zwei Kerbstifte per Fördersystem zugeschossen und in den „Träger-CAK“ und das Führungsrohr eingepresst. Nun geht die Fahrt auf der Montagestrecke zu Punkt 5, wo der per Fördersystem vereinzelte, zur Montage ausgerichtete Verriegelungsstift in den „Schlitten“ eingedrückt und verrastet wird.
An Station 6 erhält das Innenleben der späteren Kopfstütze die vom Werker manuell auf dem Werkzeugträger vorgesteckten Führungsfedern. Sie werden mittels Greifern erfasst, umgesetzt und in den „Träger-CAK“ platziert. Station 7 prüft zunächst diesen Vorgang und transportiert und vereinzelt anschließend zwei Scheiben, die sie mit einem Vakuumgreifer auf die Führungsrohre steckt.
Die Montage der crashaktiven Kopfstütze ist bereits sehr weit gediehen. An der achten Arbeitsstation erhalten zwei Druckfedern mit Doppelgreifern aufgesteckt ihren Platz auf den bereits montierten Führungsrohren. Zwei Leerstationen in der Anlagenstrecke folgen, hier könnten weitere Arbeitsmodule ihren Platz finden.
Jetzt wird der „Schlitten“ gesetzt. Die zwei Druckfedern werden positioniert und vorgespannt, die Führungsrohre ausgerichtet und der vom Bediener zu Beginn auf den Werkzeugträger aufgesteckte „Schlitten“ maschinell auf den „CAK-Träger“ gesetzt und eingerastet (Station 11). Dieser „Schlitten“ nähert bei einem Unfall die intelligente Kopfstütze blitzschnell dem Kopf des Fahrers oder Mitfahrenden, so dass er effektiver geschützt ist als bei einer herkömmlichen Kopfstütze. Das Verfahren des „Schlittens“ ist die wichtigste Funktion der crashaktiven Kopfstütze. Doch funktioniert dies auch ordnungsgemäß?

Der Ernstfall wird getestet

Es erfolgt der Test für den Ernstfall: An Station 12 wird die „Auslöseeinheit“ betätigt, das zuvor komplett montierte CAK-Modul ausgelöst und damit die Funktion der gefertigten Kopfstütze geprüft. Die erhaltenen Werte einschließlich Datum, Uhrzeit und Nummer des verantwortlichen Werkers werden per Datenübertragung im angeschlossenen Computersystem gespeichert und können mittels Excel-Sheet verarbeitet und ausgelesen werden. An Station 13 wird dem fertigen CAK-Modul ein Label mit den vorher in der Prüfstation generierten Prüfwerten aufgeklebt.
Nun erreicht das montierte Kopfstützenmodul die „Endstation“: Der Werker entnimmt und verpackt die Werkteile, die das Montagesystem geprüft und als in Ordnung befunden hat. Fehlteile (sogenannte N.i.O.-Teile) sondert das System aus. Auf dem Display des Panels für den Bediener erscheint die entsprechende Fehlermeldung, am Reparaturarbeitsplatz (Repa-Platz) arbeitet der Werker das fehlerhafte Werkteil nach.

Kurze Taktzeiten sorgen für hohen Durchsatz

Die von Deprag Schulz für den Kopfstützenbau entwickelten Montageanlagen sind ohne die Zuführeinrichtungen jeweils 8,34 m lang, 2,55 m breit und 2,40 m hoch. Die komplette Maschine mit allen Komponenten wiegt 9500 kg. Die Taktzeit beträgt weniger als 10 s, so dass sich mehr als 360 Kopfstützen in der Stunde auf der Anlage fertigen lassen.

Die Deprag Schulz GmbH u. Co. produziert Schraubtechnik, Montageautomations-Systeme, Druckluftmotoren und Druckluftwerkzeuge. Mit 600 Mitarbeitern ist das Unternehmen in über 40 Ländern vertreten.

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Laservermessung bei Linearsystemen: Messaufbau.   Bild: Schunk

Bei der Montage und Prüfung von Achsbewegungen in Werkzeugmaschinen, Positionier-, Mess- und Handlingsystemen erkennt die Laservermessung selbst kleinste Bewegungsfehler. Schunk, Hersteller von Spann- und Greiftechnik, bietet Laservermessung nun auch als Dienstleistung an. Zusätzlich zu einer hohen Wiederholgenauigkeit spielt in modernen Werkzeugmaschinen, in Positionier-, Mess- und Handlingsystemen immer häufiger auch die Genauigkeit der Achsbewegung eine entscheidende Rolle. So lassen sich beispielsweise hochpräzise Bauteile für die Produktronik- oder Elektronikindustrie nur mit einer µ-genauen Führung entlang der kompletten Achse realisieren. Eingesetzt wird die Laservermessung überall dort, wo Anwender bei Fertigungs- oder Prüfprozessen auf eine hohe Ablaufgenauigkeit linearer Bewegungen oder auf eine hohe Absolutgenauigkeit angewiesen sind. In der Regel geht es dabei um Toleranzen unter 0,005 mm über die komplette Bewegung hinweg. Moderne Präzisionsmesssysteme – Laser-Interferometer genannt – ermitteln die dafür notwendigen, hochgenauen Daten.

Mit präzisen Modulen und aufwändiger Messtechnik zu höchster Genauigkeit

In der Lasermesstechnik steckt jede Menge Know-how: Gebündeltes Licht wird durch Strahlteiler und Spiegel auf getrennte optische Bahnen gelenkt, am Ende des Messweges über Spiegel reflektiert und im Messgerät wieder zusammengeführt. Die Differenz der Lichtstrahlen ergibt ein spezifisches Muster – Interferenzstreifen oder -ringe. Aus ihnen lassen sich Entfernungen, Winkelabweichungen und Brechzahlen ermitteln. Laser-Interferometer werden zum einen in Forschungs- und Laboranwendungen eingesetzt, finden zum anderen aber immer häufiger Anwendung in der Qualitätssicherung und sogar direkt bei Anwendern vor Ort.
Um bei Linearsystemen die Positions- und Ablaufgenauigkeit zu ermitteln, wird das Laser-Interferometer parallel zu der Achse justiert, die geprüft werden soll. Die optischen Bahnen werden in einen Messstrahl und in einen Referenzstrahl aufgeteilt. Ein Messgerät überlagert die reflektierten phasen- und frequenzgleichen Wellenfronten und gibt sie als Messgröße aus. Schließlich bereitet eine Software die Umkehrspanne, Streubreite, Führungs- oder Positionsabweichung grafisch auf.
Grundlage für die Ermittlung der Positioniergenauigkeit sind in der Regel die Abnahmekriterien nach VDI/DGQ 3441, für die Geradheitsmessung die Kriterien nach VDI/DGQ 2617. Neuere Richtlinien beschreibt auch die DIN ISO 230-2. Da bei der hochgenauen Vermessung von Linearsystemen häufig auf Vergleichsdaten zurückgegriffen wird, hat derzeit die Auswertung nach VDI-Regeln noch die größere Bedeutung.

Abweichungen werden mechanisch oder in der Steuerung korrigiert

Bei der Führungsgenauigkeit von Linearsystemen sind insbesondere Winkelfehler, Nick- und Gierwinkel sowie die daraus resultierende Rotation einer Führung von Interesse. Neueste Laser-Interferometer liefern zudem dynamische Kennwerte als Weg-Zeit-, Geschwindigkeit-Zeit- und Beschleunigung-Zeit-Diagramme. Vor allem bei Systemen für hochdynamische Anwendungen spielen diese Werte eine entscheidende Rolle.
Auf Basis der Abweichungen lassen sich die vermessenen Systeme sehr präzise korrigieren. Dies geschieht zum einen mechanisch, indem die Baugruppen und Komponenten optimal zueinander ausgerichtet werden. Zum anderen werden beim sogenannten Mapping systematische Abweichungen wie die Umkehrspanne oder die Positionsabweichungen über eine Fehlertabelle in der Maschinensteue-rung kompensiert.

Präzise Messergebnisse lohnen sich

Mit Hilfe der Laservermessung lässt sich eine extrem hohe Präzision über den kompletten Bewegungsprozess hinweg sicherstellen. So werden hochpräzise Fertigungs- und Prüfprozesse zum Teil überhaupt erst möglich.
- Die präzise Ausrichtung der Systemkomponenten minimiert deren Verschleiß und sorgt für eine lange Lebensdauer des Gesamtsystems.
- Die Laservermessung liefert die Grundlage für Dokumentation und Qualitätssicherung und sie stärkt die Kompetenz von Anlagenbauern und Systemintegratoren.
- Sie vereinfacht die Fehlersuche und spart Zeit bei Problemen mit einer bestehenden Anlage, beispielsweise nach einer Crashfahrt.
Aus diesen Gründen bietet Schunk seit kurzem die Laservermessung als Dienstleistung an. Auf diese Weise können insbesondere Anlagenbauer und Systemintegratoren sicherstellen und dokumentieren, dass die von ihnen gelieferten Systeme alle Anforderungen präzise erfüllen.
- Sie können auf Grundlage der Messergebnisse ihre Systeme optimieren und damit die Prozesssicherheit und Lebensdauer spürbar steigern.
- Sie erhalten aussagefähige Protokolle über die Genauigkeiten ihrer Systeme und können diese in die Dokumentation integrieren.
- Bei Reklamationen können sie die Messergebnisse als Hilfestellung nutzen.

Vor-Ort-Vermessung mit mobilen Laser-Interferometern

Mit Hilfe mobiler Laser-Interferometer vermisst Schunk die Systeme auch direkt vor Ort. Die Schunk-Service-Experten ermitteln dabei unter anderem die Position, die Kippwinkel sowie die Geradheit der Linearsysteme. Zudem führen sie dynamische Messungen der Anlagen durch. Nach der Messung wertet Schunk dann gemeinsam mit dem Anwender, dem Systemintegrator oder dem Anlagenbauer die Ergebnisse aus. Die Laservermessung ist bei Schunk sowohl für eigene Produkte als auch für bestehende Anlagen mit Komponenten anderer Anbieter möglich.

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Solarzellenfertiger sehen jetzt dreidimensional: Bei der Kamera Eye-Scan 3D von EVT sind Lasertriangulationssensor und Auswerterechner in einem nur 195 mm x 90 mm x 35 mm großen Gehäuse untergebracht. Bild: EVT

Die neuen Smart-Kamera-Systeme Eye-Scan 3D von EVT, Karlsruhe, erschließen dem Anwender in der Solarindustrie jetzt die dritte Dimension. In einem kompakten Gehäuse untergebracht befinden sich ein fertig kalibrierter Lasertriangulationssensor und ein kompletter Auswerterechner, der bis zu 40000 3D-Profile pro Sekunde einlesen kann. Die komplette Auswertesoftware ist im System enthalten und wird per Drag-and-Drop programmiert. Dank der Vielzahl der fertigen Algorithmen ist es ein Leichtes, selbst komplexe 3D-Aufgabenstellungen einfach zu lösen. Die Standard-Eye-Vision-Software, die aus dem Eye-Spector-System bekannt ist, wurde für das neue Einsatzgebiet in der Solartechnik-Industrie um zusätzliche Auswertebefehle erweitert. Das hat zur Folge, dass 3D-Aufgabenstellungen mit der gleichen Einfachheit zur realisieren sind wie 2D-Aufgaben. Solar-Plugin zur preisgünstigeren Realisierung von 3D-Lösungen im Solar-Bereich Das Kamera-System verfügt nun außerdem über das sogenannte Solar-Plugin. Dieses wurde speziell für die Solar-Industrie entwickelt, um dort künftig preisgünstigere 3D-Lösungen realisieren zu können. Mit dem Solar-Eye-Plugin lassen sich spezielle Aufgabenstellungen bei der Produktion von Solarzellen, Solarzellenstrings und Modulen effizient realisieren. Das Inspektionssystem erkennt Materialbruch im laufenden Produktionsprozess und steigert dadurch die Ausbeute der Produktion. Mit einer Reihe spezialisierter Befehle können verschiedenste Anwendungsfälle im Solar-Bereich auf einfache Weise gelöst werden. Die exakte Detektion von Mikrocracks und anderen Waferdefekten ist sowohl bei der Waferproduktion als auch bei der Solarzellenherstellung wichtig, um Waferbruch zu vermeiden und die Produktion störungsfrei zu betreiben. In dem kompakten Eye-Scan-3D-System ist nicht nur die Auswerteeinheit und der Sensor in ein Gehäuse integriert, sondern diese sind auch bereits vorkalibriert. Die Vorkalibrierung sorgt dafür, dass der Anwender sich nur noch um den Einbau des Sensors kümmern muss. Es wird kein Experte mehr benötigt, der das System einbaut und kalibriert. Zudem kann der Anwender jederzeit einen vorhandenen Sensor durch einen neuen ersetzen, ohne die Anlage selbst neu kalibrieren zu müssen. Es genügt bereits, den alten Sensor auszutauschen, das Prüfprogramm aus dem alten Sensor oder einer Sicherung in den neuen einzuspielen – und schon kann weiter geprüft werden.

Solar-Eye detektiert Risse und Kantenausbrüche an den Wafern

Das Solar-Plugin Solar-Eye erkennt frühzeitig häufig auftretende Fertigungsfehler wie Risse oder Kantenausbrüche an den Wafern. Das Prüfsystem löst wesentliche Inspektionsaufgaben: Es erkennt Ecken- und Randausbrüche, prüft auf korrekte Abmessungen sowie auf Dicke- und Oberflächengenauigkeit. Zudem können die Position auf den Bändchen, sowie die Drehlage der Zelle für das richtige Verlöten von Zellen bestimmt werden.
Das Solar-Plugin wurde um ein Solar-Modul für die Laser-Scribing-Inspektion erweitert mit speziell für die Solar-Industrie angepassten Lesefunktionen. Das Lesen von DMC, OCR/OCV und Barcodes ist somit auch auf Silizium und Solarzellen möglich.

Defekte Wafer werden aus der Produktion ausgeschleust

Basierend auf hochauflösenden Kameras werden jegliche Fehler μ-genau erkannt. Die defekten Wafer können dann aus der Produktion ausgeschleust werden, was die Bruchrate in der Produktion deutlich reduziert und somit die direkte Ausbeute erhöht. Die von der Auswertesoftware des Inspektionssystems während der laufenden Produktion gesammelten Informationen über die Fehlermerkmale der Solarwafer erlauben obendrein eine kontinuierliche Verbesserung des Produktionsprozesses.

Schnittstellen erlauben Kommunikation mit Robotern

Das 3D-System kann direkt an einen Monitor angeschlossen werden, um die laufende Produktion zu überwachen sowie Messergebnisse einzusehen. Über weitere Schnittstellen wie Gigabit Ethernet, RS232 oder RS485 lassen sich sowohl die Ergebniswerte wie auch die Bilddaten transferieren. Über die umfangreichen Kommunikationsschnittstellen des 3D-Systems ist die Kommunikation mit Robotern ebenso möglich wie der direkte Datentransfer in die Unternehmenssoftware von SAP, Oracle und anderen Herstellern. Dadurch stehen die Produktionsergebnisse jederzeit und überall im Unternehmen aktuell zum Abruf bereit.

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Die dezentrale Antriebs- und Positioniersteuerung soll die Risiken von komplexen Anlagenarchitekturen minimieren. Bild: SEW Eurodrive

Die dezentrale Antriebs- und Positionierungssteuerung Movipro-SDC von SEW Eurodrive soll den Aufbau flexibler Anlagenarchitekturen im Feld ermöglichen. Im Fokus stehen dabei Förder- und Maschinenapplikationen in der Automobilindustrie und Produktionslogistik. Die Vorteile der dezentralen Steuerungstechnik sind den Angaben zufolge überzeugend: weniger Kabel, kurze Leitungswege und weniger Schaltschrankfläche. Steuerung hat Nennleistung von 4 bis 15 kw Die Gerätefamilie zeichnet sich laut Hersteller durch leistungsfähige Antriebsumrichter mit abgestuftem Leistungs- und Funktionsumfang aus. Die Nennleistungen erstrecken sich von 4 bis 15 kW, das Motorenspektrum von DRS (Standard-)- bis zu DRP (Premium Efficiency-)- und CMP-Motoren, mit oder ohne Geberrückführung. Die parametrierbaren Umrichter können sowohl Asynchron- als auch Synchronmotoren ansteuern. Die Gerätefamilie erfasse lokale I/Os und unterstützt unterschiedliche Bremsspannungen. Hoher Integrationsgrad führe zu Platzeinsparungen im Schaltschrank Der Integrationsgrad der Funktionen in einer kompakten Bauweise führt zu einer deutlichen Platzeinsparung und kann komplette Umrichter-Schaltschränke im Feld ersetzen, erläutert der Hersteller. Das vereinfache die Integration in der Anlage und reduziere die Anlagekomplexität durch geringere Anzahl von Komponentenschnittstellen. Steckbare Anschlusstechnik kombiniert mit einer tauschbaren Speicherkarte und durchgängiger Bedienungssoftware soll für fehlerfreie Installation, einfache Inbetriebnahme und Wartungsfreundlichkeit sorgen.

Kommunikation kann über die gängigen Bussysteme erfolgen

Regionalen Erfordernissen entsprechend kann die Kommunikation über verschiedene Bussysteme erfolgen: Profibus, Profinet, Devicenet, Ether-Net/IP und Modbus/TCP. Die optionale Sicherheitskommunikation mit Profi-Safe soll die neuesten Anlagensicherheitskonzepte unterstützen. Mit Hilfe einer Parametrier- und Bediensoftware des Herstellers werden die Systeme eingestellt, in Betrieb genommen und gewartet.

Steuerung soll die Risiken komplexer Anlagenarchitekturen minimieren

Das System reduziert den Angaben zufolge Planungs-, Investitions- und Betriebskosten durch Standardisierung von Antriebsfunktionen mit parametrierbaren Applikationsmodulen. Die räumliche Nähe von Antrieb und Elektronik und die Modulbauweise der Applikation vereinfache die Projektierung und ermögliche es, einzelne Anlagenmodule vorab zu testen. So könnten die Risiken von komplexen Anlagenarchitekturen minimiert werden.

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Obwohl heutzutage tendenziell der Manipulator aus Sicht der Mediziner bevorzugt wird, sind die Einsatzpotenziale des Roboters mittlerweile allgemein anerkannt. Eine größere Bedeutung werden Roboter oder Manipulatoren für klinische Methoden wie die minimalinvasive Chirurgie gewinnen. Bild: IPA

Assistenzsystemen für die Chirurgie sind in der Regel Roboter und Manipulatoren. Während die einzig im Operationssaal der Orthopädie zugelassenen Roboter wieder vom Markt verschwunden sind, nimmt die Anzahl auch von aufwändigen Manipulatorsystemen weiter zu. Eine einheitliche Definition für Assistenzsysteme im Umfeld der Diagnostik und Intervention gibt es heute noch nicht. Wegen einer wachsenden kritischen Berichterstattung und im Zusammenhang mit den bekannteren Robotersystemen Robodoc und Caspar in den Operationssälen verlor der Begriff „Medizinroboter“ seine Salonfähigkeit und wurde deswegen einfach durch den Begriff Assistenzsystem ersetzt. Um der Kritik aus unterschiedlichen Richtungen zu entgehen, wurde bereits bei den  ersten Roboterentwicklungen gelegentlich auf Namensänderungen zurückgegriffen: Speziell der Ausdruck „Medizinroboter“ erweckt bei vielen Menschen spontan die Assoziation von einer seelenlosen Medizin. Verkaufszahlen der Manipulatoren nehmen zu Ein Medizinroboter trifft den Nerv im Verhältnis zwischen Mensch und Maschine: Wird Hilfe dadurch seelenlos, dass sie von einem Roboter geleistet wird? Inzwischen sind die Robotersysteme aus den Operationssälen vollständig verschwunden und nur noch in Forschungslaboren anzutreffen. Parallel dazu stiegen jedoch fast unbemerkt von der Öffentlichkeit die Verkaufszahlen der Manipulatoren, beispielsweise für den da-Vinci-Manipulator, weiter an. da-Vinci-System wird per Joystick gesteuert Beim da-Vinci-System sitzt der Chirurg an einer Konsole und steuert über einen mehrachsigen Joystick die Instrumente, wobei ein dritter, beweglicher Arm das Stereo-Endoskop fixiert. Aus medizinischer Sicht ist die anfängliche Kritik an den Manipulatoren teilweise einer echten Zustimmung sogar von der älteren Chirurgengeneration gewichen. Die Argumente für den Einsatz von Manipulatoren reichen von einer physischen Entlastung durch eine entspannte Arbeitshaltung bis zur skalierten, tremorfreien Auflösung von Bewegungen. Im Gegensatz zum Manipulator verliert der Chirurg beim programmgesteuerten Roboter zumindest für einen Augenblick die Kontrolle über den Ablauf der interventionellen Maßnahme – aber nicht die Verantwortung für den Patienten. Andererseits eröffnet der Roboter einen Weg, Vorgänge schneller, präziser und durch Planung systematischer durchzuführen, beispielsweise das Ausräumen von Tumoren, das Vernähen von Gefäßen, das Fräsen präziser Implantatlager.

Einsatzpotenziale des Roboters sind allgemein anerkannt

Obwohl heutzutage tendenziell der Manipulator aus Sicht der Mediziner bevorzugt wird, sind die Einsatzpotenziale des Roboters mittlerweile allgemein anerkannt. Eine größere Bedeutung werden Roboter oder Manipulatoren für klinische Methoden wie die minimalinvasive Chirurgie (MIC) und Notes (Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery) gewinnen. Vor allem Notes stellt neue Anforderungen an die Instrumentierung im Operationssaal, die sich ohne Assistenzsysteme der nächsten Generation nicht lösen lassen.
Bei einem Notes-Eingriff wird das Instrument durch natürliche Körperöffnungen eingeführt und erst im Körper durch eine künstliche Öffnung weiter in das Körperinnere vorgeschoben. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Blinddarm durch den Mund operiert werden, wobei das Instrument von innen durch ein Loch in der Magenwand geführt wird. Die dafür erforderliche Führung von Instrumenten um mehrere Achsen ist dabei nur ein beispielhaftes Argument für die Notwendigkeit von Assistenzsystemen.

Arbeitserleichterung wird durch aufwändige Vorbereitung der Operation konterkariert

Trotz der zahlreichen Argumente für einen Einsatz von Assistenzsystemen konnten die Vorteile für den klinischen Alltag mit den vorhandenen Robotern oder Manipulatoren bis heute nicht überzeugend nachgewiesen werden. Denn der Arbeitserleichterung für den Chirurgen und einem besseren Arbeitsergebnis stehen ein erhöhter zeitlicher Aufwand bei der Vorbereitung der Operation, ein wesentlich größerer Platzbedarf, eine gewöhnungsbedürftige, teilweise unnatürliche Handhabung und wesentlich höhere Anschaffungs- und Betriebskosten gegenüber. Beim Robotereinsatz kommt hinzu, dass viele interventionelle Prozesse heute praktisch noch nicht automatisch durchgeführt werden können.

Das Problem ist, Roboter im Körper zu steuern

Das Problem ist, Roboter im Körper zu steuern. Aufgrund der Gewebedynamik durch Puls oder Verdrängung und von feinen, höchst empfindlichen Gewebestrukturen in einer komplexen Anatomie können programmierte oder automatisierte Vorgänge meistens nur in einem geschlossenen Regelkreis ausgeführt werden. Die für die Hüftendoprothetik und später für Knieoperationen eingesetzten Systeme Robodoc und Caspar erscheinen auf den ersten Blick als Ausnahmen.
Bei beiden Verfahren wird zunächst am Computer aufgrund der räumlichen Daten vom Computertomographen (CT) der Einsatz einer Oberschenkelprothese in den Femur simuliert. Wenn eine optimale Prothesengröße gefunden wurde, werden die Bahnkurven für den Fräser errechnet und an den Roboter im Operationssaal übertragen. Aufgrund der sehr individuellen Materialparameter des menschlichen Knochens und der spezifischen Kraftflüsse in den unteren Extremitäten fehlen jedoch entscheidende Informationen für einen optimalen (Press-)Sitz der Prothese.
Diese Parameter lassen sich für einen Patienten auch nicht ohne weiteres ermitteln, weil Proben nicht einfach vorher entnommen oder die genauen Kraftflüsse im Körper gemessen werden können. Dies ist nur ein Grund dafür, weshalb mit dem Roboter in der Orthopädie trotz der offensichtlichen Vorteile keine besseren medizinischen Ergebnisse erzielt werden konnten.

Anforderungen steigen bei Eingriffen im Weichgewebe

Die Anforderungen steigen bei Eingriffen im Weichgewebe, beispielsweise dem Gehirn, noch weiter an (Bild 4). Wegen der empfindlichen, mikroskopischen  Strukturen wäre diese Region auf den ersten Blick ein bevorzugtes Einsatzgebiet für den Roboter. In den Anfängen wurden viele experimentelle Robotersysteme deshalb für diese Anwendung entwickelt: Heute gilt sie als eine der schwierigsten Anwendungen und es werden nur Manipulatoren eingesetzt beziehungsweise entwickelt.
Um beispielsweise eine Resektion automatisch durchführen zu können, wäre eine exakte anatomische Karte erforderlich. Das Gehirn lässt sich jedoch nicht fixieren und pulsiert darüber hinaus, so dass die präoperativen Navigationsinformationen vom CT oder Kernspintomographen (MRT) nur relativ ungenaue und keine aktuellen Lageinformationen liefern können.

Einsatzmöglichkeiten bei Gewebeeingriffen hängen an der Messtechnik

Außer der Lokalisierung sind zusätzlich noch Messdaten über den Zustand des Gewebes erforderlich, die der Chirurg bei konventionellen Eingriffen ertastet (Palpation) oder visuell identifiziert. Eine zuverlässige Vermessung des Gewebezustands und -typs ist heute technisch zwar noch nicht möglich, aber aktuelle Projekte im Bereich der CAD (Computer-assistierte Diagnose) lassen in absehbarer Zeit genauere, automatische Gewebeanalysen in Echtzeit erwarten. Der erfolgreiche Einsatz des Roboters, das heißt eine wesentliche schnellere, präzisere und wegen kleinerer Resektionsvolumen schonendere Operation, hängt heute hauptsächlich von der Entwicklung neuer messtechnischer Lösungen für die Navigation (Bild 5) und neuer, angepasster Instrumente ab.
Solange jedoch die Probleme der Navigation eines Roboters nicht gelöst sind, finden auch keine ernsthaften Bemühungen statt, angepasste Instrumente für den Roboter- oder Manipulatoreinsatz zu entwickeln. Nur für den da Vinci steht beispielsweise mit Endowrist heute ein speziell für einen Manipulatoreinsatz angepasstes Instrument zur Verfügung (Bild 6). Die Potenziale für den Robotereinsatz erscheinen heute ebenso gewaltig wie die technischen Herausforderungen.

Betriebssicherheit steht an erster Stelle

Die technischen Anforderungen für Robotersysteme und Manipulatoren sind bei den heute favorisierten Anwendungsszenarien unterschiedlich, so dass bei Robotern in der Regel auf Industrieroboter zurückgegriffen und bei Manipulatoren neue Systeme entwickelt wurden. Die notwendigen Funktionen und Leistungsparameter von Robotersystemen im Operationssaal ähneln grundsätzlich denen im industriellen Einsatz.
Im ersten Schritt erfolgt ebenfalls eine Auslegung nach den Anforderungen wie Arbeitsraum, Freiheitsgrade, Traglast, Steifigkeit und Präzision. Unterschiede ergeben sich jedoch durch die jeweils nationalen gesetzlichen Bestimmungen und bei den Sicherheitsüberlegungen, weil die Auswirkungen einer Fehlfunktion katastrophale Folgen haben können und der Roboter im Operationssaal ohne trennende Schutzeinrichtungen betrieben werden muss. Soweit die technischen Konzepte in die Öffentlichkeit gelangten, wurden beispielsweise aufgrund der gesetzlichen Bestimmungen alle Robotersysteme im klinischen Einsatz mit redundanten Positionsmesssystemen ausgestattet, um eine Fehlpositionierung unbedingt zu vermeiden.
Außerdem mussten gleichzeitig eine Selbsthemmung und eine Beweglichkeit garantiert werden, um bei einem Systemausfall einerseits ein unkontrolliertes Einsinken des Instruments in den Körper zu vermeiden und andererseits das Instrument gefahrlos aus dem Patienten entfernen zu können.

Einhaltung der Hygiene ist einfach gelöst

Die Einhaltung der hygienischen Anforderungen im Operationssaal wird dagegen bei Robotern und Manipulatoren heute relativ einfach gelöst: Vor Beginn des Eingriffs wird über das Assistenzsystem eine Schutzfolie gestülpt, so dass ein Kontakt des Roboters mit der sterilen Umgebung weitgehend vermieden wird. Bei einfachen Manipulatoranwendungen handelt es sich in den meisten Fällen um Varianten von Endoskophaltesystemen.
Auch wenn sich Roboter für diese Aufgabe prinzipiell eignen würden, sind diese Systeme für eine solche Aufgabe zu teuer, zu groß und fordern einen zu hohen Installationsaufwand am Operationstisch. Für diese Randbedingungen wurde eine Reihe von verschiedenen Systemen entwickelt, von denen der Aesop am weitesten verbreitet war.

Arbeitsplätzen in Kernkraftwerken als Vorbild

Gehen die Anforderungen an den Manipulator wie beim Master-Slave-Konzept des da-Vinci-Systems über das quasi statische Halten des Instruments hinaus, dann muss die manuelle Eingabe mit gleicher Dynamik auf das Instrument übertragen werden. Die Lösungsansätze dafür stammen von den Arbeitsplätzen der Kernkraftwerke und basieren häufig auf Seilzugantrieben.

Optimierungspotenzial von Assistenzsystemen ist groß

Die Entwicklung von Assistenzsystemen wird heute nicht durch die Bewegungsvorrichtungen beschränkt. Allerdings gibt es noch ein großes Optimierungspotenzial in Hinblick auf kompaktere Bauformen bei gleichzeitig höherer Dynamik und höheren Traglasten. Diesen spezifischen Anforderungen stehen geringe Stückzahlen im Operationssaal gegenüber, so dass sich grundlegende Neuentwicklungen wie der DLR-Leichtbauarm für industrielle Anwendungen heute leider nur selten realisieren lassen.
In einer Reihe von Forschungsprojekten, beispielsweise beim Robin-System zum automatischen Fräsen der Implantatlager von Hörgeräten (Bild 7), arbeiten heute HNO-Chirurgen und Radiologen des Universitätsklinikums Tübingen eng mit Ingenieuren des Fraunhofer IPA an neuen Closed-Loop-Lösungen zusammen. Bei diesem System wird das Resektionsvolumen ständig vermessen und für die Regelung des Abtragungsprozesses verwendet. Theoretisch lassen sich bereits mit konventionellen Systemen die Operationsdauer um ein Vielfaches verringern und die Präzision entscheidend erhöhen.

Multifunktionelle Instrumente auf dem Vormarsch

Speziell die Anwendungen in der MIC und Notes haben jedoch in den letzten zwei Jahren auch zu neuen Konzepten für Assistenzsysteme im Operationssaal geführt. An die Stelle der großen, stationären Roboter- oder Manipulatorsysteme treten kleine, mit der Hand gehaltene, multifunktionelle auf Manipulatorsysteme gestützte Instrumente, mit denen Teilschritte, beispielsweise das Nähen, automatisiert werden können. In den Laboren entstehen zur Zeit die Konzepte für solche hybriden Instrumente, mit denen die vorteilhaften Eigenschaften vom konventionellen Instrument und dem Roboter oder Manipulator verbunden werden sollen. Die Impulse dafür liefern die Schlüsseltechnologien aus der Mikrosystemtechnik, Mikroelektronik und den Materialwissenschaften.

Closed-Loop-System für die minimalinvasive Lebertumorresektion

Ein Beispiel für ein solches Assistenzsystem ist die Entwicklung von Whole’O’Hand (Holistic Glove Intervention System) der drei Fraunhofer-Institute IPA, IIS und IGD. Bei diesem System werden die Navigation mit einer dynamischen Registrierung, die auf Ultraschall basierende Inline-Messtechnik und die auf Manipulatoren gestützten Instrumentenwechselsysteme zu einem Closed-Loop-System für die minimalinvasive Lebertumorresektion verbunden. Auf diese Weise sollen im präklinischen Versuch Resektionslinien dynamisch aktualisiert und die Manipulatoren für die Bewegungsführung mit Hilfe von Active Constraints eingesetzt werden.

Entwicklung von Assistenzsystemen der nächsten Generation kommt wieder in Fahrt

In der Diagnostik ist die Entwicklung heute sogar noch ein Stück weiter. Mit der Pill Cam schluckt der Patient an Stelle eines Endoskopschlauchs eine Kamera mit Lichtquelle und Sender in Form einer Pille. Beim Schlucken und Wandern durch den Verdauungstrakt werden in bestimmten Intervallen Aufnahmen gemacht und an einen Empfänger am Patienten übertragen. Diese elegante Weiterentwicklung der klassischen Endoskopie ist bei den Ärzten nicht immer beliebt. Diese müssen das stundenlange Videomaterial sorgfältig auswerten, um nichts zu übersehen. Technische Ansätze für die automatische Auswertung ergeben sich aus den Bildverarbeitungsalgorithmen der Computer-assistierten Diagnose (CAD).

Die Pille wird zum Mikroroboter

In Zukunft könnte die Pille zu einem Mikroroboter erweitert werden, in den noch weitere Sensoren für die Tumorvermessung integriert werden und der sich zumindest fixieren, vielleicht sogar selbstständig ausrichten kann. Das Problem erscheint dabei auf den ersten Blick nicht einmal die Sensor- oder Antriebstechnik, sondern die Fixierung von Objekten im Körper, ohne die umliegenden Organe zu verletzen.
Die Entwicklung von Assistenzsystemen ist trotz der technischen Herausforderungen nicht am Ende. Im Gegenteil lässt sich feststellen, dass sie mit den Erfahrungen der vergangenen Jahre und neuen Konzepten für die nächste Generation an klinischen Systemen wieder Schwung aufnimmt.   

Jan Stallkamp
Dr.-Ing. Jan Stallkamp ist Leiter der Abteilung Produktions- und Prozessautomatisierung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in 70569 Stuttgart.