[0001] Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung für ein Instrument, insbesondere für ein medizinisch-optisches Instrument, mit wenigstens einem Drehgelenk und mit Mitteln zum Ausgleich eines Last-Drehmoments, welches das Instrument an dem Drehgelenk hervorruft, wobei die Mittel zum Ausgleich des Last-Drehmoments einen Elektromotor umfassen.
[0002] Eine derartige Haltevorrichtung ist aus der DE 10 310 459 A1 bekannt. Dort ist eine Stativvorrichtung für ein medizinisch-optisches Instrument beschrieben. Bei dieser Stativvorrichtung wird die medizinisch-optische Ausrüstung an einem Frontlenker gehalten, der über ein Stangen- und Zahngetriebe mit einem Elektromotor gekoppelt ist. Die Haltevorrichtung umfasst einen Schwingungsaufnehmer mit einem Regelkreis. Dieser Regelkreis ermöglicht, den Elektromotor so anzusteuern, dass Schwingungen der medizinisch-optischen Ausrüstung an dem Frontlenker aktiv entgegengewirkt wird.
[0003] In der DE 4 231 516 C2 ist ein verstellbares Stativ für ein Operationsmikroskop beschrieben, das ein erstes und ein zweites Drehgelenk aufweist. Diesen Drehgelenken ist jeweils ein elastischer Energiespeicher zugeordnet. Der elastische Energiespeicher enthält eine Drehfeder, deren Vorspannung eingestellt werden kann. Die elastischen Energiespeicher erzeugen ein Ausgleichsdrehmoment, das einem von dem am Stativ aufgenommenen Operationsmikroskop hervorgerufenen Last-Drehmoment in den Drehgelenken entgegenwirkt.
[0004] In der DE 4 320 443 C2 ist eine Haltevorrichtung für ein medizinisch-optisches Instrument beschrieben, bei der motorisch verstellbare Ausgleichsgewichte vorgesehen sind, um in Drehachsen der Haltevorrichtung auftretende Last-Drehmomente zu kompensieren.
[0005] Die US 5 642 220 offenbart eine Haltevorrichtung für ein medizinisch-optisches Instrument, in der zur Erzeugung eines Gegendrehmoments zur Kompensation von Last-Drehmomenten eine Linearfedereinheit oder ein Gasdruckzylinder vorgesehen ist. Die Linearfedereinheit oder der Gasdruckzylinder wirken auf einen Hebelarm. Indem ein Angriffspunkt von Gasdruckzylinder bzw. Linearfedereinheit variiert wird, kann ein gewünschtes Ausgleichsmoment eingestellt werden.
[0006] In der US 5 402 582 ist eine Haltevorrichtung zur Aufnahme eines Tastkopfes zur Vermessung von Werkstücken beschrieben. Die Haltevorrichtung umfasst einen mehrgelenkigen Tragarm. In den Gelenken des Tragarmes sind Drehfedern vorgesehen. Diese Drehfedern erzeugen Drehmomente, die Last-Drehmomenten in diesen Gelenken entgegenwirken.
[0007] Die DE 4 202 922 A1 offenbart ein motorisches Stativ mit einem Operationsmikroskop als Haltevorrichtung für ein medizinisch-optisches Instrument. Dieses Stativ hat eine Tragsäule, die auf einem Standfuss gelagert ist und um eine vertikale Achse gedreht werden kann. An dieser Tragsäule ist ein mehrgelenkiger Tragarm angeordnet, der vier Drehgelenke mit motorischen Antrieben aufweist. Diesen motorischen Antrieben ist eine Steuereinheit zugeordnet. Die Steuereinheit ist mit Winkelgebern, die an den Drehgelenken angeordnet sind, verbunden. Der Steuereinheit wird dabei die gewünschte Stellung eines bestimmten Drehgelenks vorgegeben. Entsprechend der vorgegebenen Gelenkstellung eines Drehgelenks werden dann die Antriebe der Haltevorrichtung bestromt, um einen bestimmten Tragarmabschnitt an einem Drehgelenk in eine gewünschte Winkelstellung zu verfahren.
[0008] Aus der EP 1 152 182 A1 ist ein Operationsmikroskop mit einem Stativ bekannt, das eine im Wesentlichen horizontal verlaufende motorisch verstellbare Schwenkachse aufweist. In dieser Schwenkachse befindet sich ein Schrittmotor, der mittels eines Bedienungselements, in dem Kraft- oder Drehmomentsensoren vorgesehen sind, gesteuert wird und eine Servoverstellung des an dieser Achse aufgenommenen Operationsmikroskop ermöglicht.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Haltevorrichrung bereitzustellen, bei der ein Gleichgewichtszustand zur kräftefreien Bewegung eines an der Haltevorrichtung aufgenommenen Instruments um ein Drehgelenk eingestellt werden kann und darüber hinaus ein servogesteuertes Bewegen des Instruments um diese Drehachse möglich ist, ohne dass störende Schwingungen des Instruments an der Haltevorrichtung auftreten können.
[0010] Diese Aufgabe wird durch eine Haltevorrichtung nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
[0011] In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor zum Erfassen von Schwingungen der Haltevorrichtung als Beschleunigungssensor ausgebildet. Schwingungen eines medizinisch-optischen Instruments an der Haltevorrichtung können erfasst werden, indem bspw. der Sensor unmittelbar an diesem Instrument angeordnet wird. Ist der Sensor als Biegesensor ausgebildet, kann er einem Tragarm der Haltevorrichtung zugeordnet werden, um aus einer zeitlichen Änderung der Biegung des Tragarms auf Schwingungen oder Vibrationen der Anordnung zu schliessen. Es ist auch möglich, den Sensor zum Erfassen von Schwingungen der Haltevorrichtung als Bewegungssensor auszuführen, der an Baugruppen der Haltevorrichtung angeordnet ist, welche sich aufgrund von Schwingungen oder Vibrationen bewegen.
[0012] In Weiterbildung der Erfindung ist dem Drehgelenk eine Bremse zugeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich die Haltevorrichtung bei unbestromtem Elektromotor nicht bewegt.
[0013] In Weiterbildung der Erfindung ist der Elektromotor mittels eines Getriebes mit dem Drehgelenk gekoppelt. Auf diese Weise wird eine präzise Einstellung eines Gleichgewichtszustands bei der Haltevorrichtung ermöglicht.
[0014] In Weiterbildung der Erfindung weist der Elektromotor eine Antriebsachse auf, die zu einer Drehachse des Drehgelenks versetzt verläuft. Auf diese Weise wird bei der Haltevorrichtung Platz für Anschlussgeräte an das medizinisch-optische Instrument geschaffen und es ist beispielsweise möglich, eine optische Strahlauskopplung in der betreffenden Drehachse vorzunehmen.
[0015] In Weiterbildung der Erfindung weisen die Mittel zum Erfassen der Stellung des Drehgelenks einen Encoder des Elektromotors oder einen Stellungsgeber auf. Auf diese Weise kann eine momentane Stellung des Drehgelenks präzise bestimmt werden.
[0016] In Weiterbildung der Erfindung ist der Steuereinheit des Elektromotors ein elektronischer Speicher zugeordnet, in dem eine Strom-Drehgelenksstellungskurve oder eine Tabelle mit zueinander passenden Stromwerten und Drehgelenksstellungen abgelegt ist. Auf diese Weise kann eine schnelle Zuordnung von erforderlichem Stromwert bei gegebener Stellung der medizinisch-optischen Ausrüstung gewährleistet werden.
[0017] In Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei Drehgelenke mit Mitteln zum Ausgleich eines Last-Drehmoments vorgesehen. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass die an der Haltevorrichtung aufgenommene medizinisch-optische Ausrüstung entsprechend mehreren Bewegungsfreiheitsgraden kräftefrei bewegt werden kann.
[0018] In Weiterbildung der Erfindung sind bei der Haltevorrichtung Mittel zum Erfassen einer zeitlichen Änderung der Stellung des Drehgelenks vorgesehen. Diese Mittel erfassen vorzugsweise eine zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung durch mathematisches Ableiten der ermittelten Drehgelenkstellung nach der Zeit. Die ermittelte Änderung der Drehgelenkstellung wird dann als Regelgrösse einem Regelkreis zugeführt, der als Stellgrösse einen Motorstrom für den Elektromotor am Drehgelenk ausgibt. Dieser Motorstrom wird dem Motorstrom für Drehmomentausgleich überlagert, so dass der Motor ein zusätzliches Drehmoment erzeugt, welches einer ermittelten Änderung der Drehgelenkstellung entgegenwirkt.
[0019] Mit einem solchen Regelkreis ist es möglich, einer Bedienperson einen Trägheitseffekt zu simulieren. So kann beispielsweise bei einer als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung vermieden werden, dass sich das Zittern einer menschlichen Hand, die ein an der Haltevorrichtung aufgenommenes Instrument führt, auf das Instrument selbst überträgt. Gleichzeitig ermöglicht ein solcher Regelkreis, dass nicht vordefinierbare Kräfte und Momente, in der Chirurgie etwa Schnitt- und Rückstellkräfte beim Schneiden von elastischem Gewebe, beim Aufnehmen einer Resektion oder auch ausserhalb der Chirurgie beim Aufgreifen eines unbekannten Gegenstandes mit einem entsprechenden Werkzeug von einer Bedienperson als reale haptische Rückkopplung (Feedback) ohne verfälschende Fremdkräfte erfasst wird.
[0020] Im Bereich der Medizin werden beispielsweise Ärzte hierdurch in die Lage versetzt, ihre Hände von einem Operationsgebiet fernzuhalten. Dies eröffnet grundsätzlich die Möglichkeit, im laufenden Operationsbetrieb strahlungsintensive intraoperative Bildgebungsverfahren einzusetzen und auch hochinfektiöse Patienten zu behandeln. Da mit einer entsprechend als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung zitterarme, präzise Bewegungen ausgeführt werden können, ist bei Einsatz eines solchen Manipulators mit einem Operationsmikroskop in der Regel eine für präzise Interventionen häufig eingesetzte vorbereitungsintensive Navigation nicht mehr nötig.
[0021] Durch entsprechende aktive Überlagerung von Stromkurven bzw. Stromsteuerkurven mehrerer Elektromotoren des Manipulators im gewichtsausgeglichenen Zustand können bei Bedarf semi-robotische Funktionen realisiert werden. Zum Beispiel kann der Anwender mit einer geeigneten Steuerung von kritischen Bereichen eines Operationsgebiets entweder ganz ferngehalten werden oder er kann durch einen künstlichen Widerstand gewarnt werden, solange er dies wünscht. Hierzu können beispielsweise die Daten von Navigationstools, virtuellen 3D-Modellen oder 3D-Bahnen in den entsprechenden Motorpositionen zu additiv überlagerten Motorströmen umgesetzt werden. Auf dem Gebiet der Chirurgie kann so insbesondere sichergestellt werden, dass nur im Randbereich eines Tumors operiert wird.
[0022] Allgemein hat gegenüber der klassischen Robotertechnik das beschriebene Steuer- bzw. Regelprinzip für eine Haltevorrichtung den Vorteil, dass es keiner Kraft- und/oder Momentsensoren bedarf und keine komplexe, schwer zu beherrschende Sensor-Aktuatorregelung eingesetzt werden muss, der bestimmte Dynamikbereiche nur schwer zugänglich sind.
[0023] Wird bei der Haltevorrichtung die Masseverteilung der Tragarme so gewählt, dass wenigstens in etwa ein Gewichtsausgleich um Drehachsen zu den betreffenden Gelenken gegeben ist, können zum Verstellen der Haltevorrichtung vergleichsweise schwache Motoren eingesetzt werden. Diese Motoren müssen nämlich dann nur geringe Momente ausgleichen. Bei einer Haltevorrichtung, deren Tragarme um die Drehachsen von Drehgelenken ausbalanciert sind, wäre es beispielsweise nur erforderlich, dass die Motoren die von einem zusätzlich aufgenommenen Werkzeug in den Drehachsen hervorgerufenen Momente ausgleichen.
[0024] In Weiterbildung der Erfindung ist das medizinisch-optische Instrument mit einem Parallelogrammlenker an einem Tragarm aufgenommen. Ein solcher Parallelogrammlenker ermöglicht, die Mittel zum Ausgleich eines Last-Drehmoments ergonomisch günstig im Bereich eines Stativarms oberhalb des medizinisch-optischen Instruments anzuordnen. Ferner wird so eine stabile Aufnahme des medizinisch-optischen Instruments an der Haltevorrichtung gewährleistet.
[0025] In einem Verfahren zum Ermitteln einer Stromsteuerkurve für das Einstellen eines Gleichgewichtszustands in einer erfindungsgemässen Haltevorrichtung wird das wenigstens eine Drehgelenk mittels des Elektromotors um eine Achse des Drehgelenkes bewegt, der zur Bewegung des Drehgelenks erforderliche Strombedarf des Elektromotors ermittelt, die momentane Stellung des Drehgelenks bestimmt und der ermittelte Strombedarf in Abhängigkeit der Drehgelenkstellung in einem elektronischen Speicher als Stromsteuerkurve abgelegt. Auf diese Weise kann bei der Haltevorrichtung für unterschiedliche Konfigurationen von medizinisch-optischer Ausrüstung ein Gleichgewichtszustand eingestellt werden.
[0026] Es ist auch möglich, eine Stromsteuerkurve zu ermitteln, indem das wenigstens eine Drehgelenk mittels des Elektromotors in eine erste Richtung bewegt, wird, wobei der zur Bewegung des Drehgelenks erforderliche Strombedarf des Elektromotors in Abhängigkeit der Stellung des Drehgelenks ermittelt wird, und darauf das wenigstens eine Drehgelenk mittels des Elektromotors in eine der ersten Richtung entgegengesetzten zweite Richtung bewegt wird, wobei der zur Bewegung des Drehgelenks erforderliche Strombedarf des Elektromotors in Abhängigkeit der Stellung des Drehgelenks ermittelt wird.
[0027] Vorzugsweise wird dann ein Mittelwert des für das Bewegen des wenigstens einen Drehgelenks in der ersten Richtung erforderlichen Strombedarfs und des für das Bewegen des wenigstens einen Drehgelenks in der zweiten Richtung erforderlichen Strombedarfs berechnet und in Abhängigkeit der Drehgelenkstellung in einem elektronischen Speicher als Stromsteuerkurve abgelegt. Auf diese Weise ist es möglich eine Stromsteuerkurve zu generieren, die nicht mit Fehlern, die auf Reibungskräfte in dem betreffenden Drehgelenk zurückgehen, behaftet ist.
[0028] Für das Ermitteln der Stromsteuerkurve des wenigstens einen Drehgelenks reicht es dabei aus, mit dem Elektromotor das Drehgelenk über einen Drehwinkelabschnitt [Delta][phi] zu bewegen, bspw. »[Delta][phi]»<= [pi] oder »[Delta][phi]»<= [pi] /2 oder »[Delta][phi]»<= [pi] /4, denn es kann aus einem Abschnitt einer erfassten Stromsteuerkurve auf den gesamten Verlauf der Stromsteuerkurve im Winkelbereich 0 <= [phi] <= 2 [pi], der einer vollen Umdrehung des Drehgelenks entspricht, geschlossen werden. Auf diese Weise ist es möglich, innerhalb kurzer Zeit, gegebenenfalls in wenigen Sekunden eine gewünschte Stromkurve bzw. Stromsteuerkurve für das Drehgelenk aufzunehmen.
[0029] Indem bei der Haltevorrichtung eine momentane Stellung des Drehgelenks erfasst und der Elektromotor entsprechend einer in einem Speicher abgelegten Stromsteuerkurve bestromt wird, kann ein Gleichgewichtszustand für die medizinisch-optische Ausrüstung dadurch hergestellt werden, dass einer bestimmten Stellung des Drehgelenks für den Elektromotor ein Stromwert für Drehmomentkompensation zugeordnet wird.
[0030] Es ist weiter auch möglich, eine momentane Änderung der Stellung des Drehgelenks zu bestimmen und dann einen der Änderung der Stellung des Drehgelenks entgegenwirkenden Strom auf den Elektromotor auszugeben.
[0031] Sind in der Haltevorrichtung mehrere Drehgelenke vorgesehen, die Mittel zum Ausgleich eines Last-Drehmoments mit Elektromotor aufweisen, so kann ein Gleichgewichtszustand eingestellt werden, indem eine momentane Stellung eines ersten Drehgelenks bestimmt wird, eine momentane Stellung eines zweiten Drehgelenks bestimmt wird, und ein dem ersten Drehgelenk zugeordneter Elektromotor und ein dem zweiten Drehgelenk zugeordneter Elektromotor entsprechend einer in einem Speicher abgelegten zweidimensionalen Stromsteuerkurve bestromt wird. Dabei ordnet die Stromsteuerkurve entsprechend der bestimmten momentanen Stellung der Drehgelenke den Elektromotoren der Drehgelenke jeweils einen Stromwert für Drehmomentkompensation zu.
[0032] Um eine entsprechende zweidimensionale Stromsteuerkurve für das Einstellen eines Gleichgewichtszustandes in einer Haltevorrichtung zu ermitteln, wird die Stellung eines ersten Drehgelenks erfasst, bei einer bekannten Stellung des ersten Drehgelenks ein zweites Drehgelenk mittels des dem zweiten Drehgelenk zugeordneten Elektromotors um seine Achse bewegt, und dann der zur Bewegung des zweiten Drehgelenks erforderliche Strombedarf des Elektromotors bestimmt. Dann wird die momentane Stellung des zweiten Drehgelenks erfasst und der bestimmte Strombedarf in Abhängigkeit der Stellung des zweiten Drehgelenks in einem elektronischen Speicher als erste Stromsteuerkurve abgelegt.
Anschliessend wird bei einer bekannten Stellung des zweiten Drehgelenks das erste Drehgelenk mittels des zugeordneten Elektromotors um seine Achse bewegt, wobei der zur Bewegung erforderliche Strombedarf des Elektromotors ermittelt, entsprechend die momentane Stellung des ersten Drehgelenks bestimmt, und dann der ermittelte Strombedarf in Abhängigkeit der Stellung des zweiten Drehgelenks in einem elektronischen Speicher als zweite Stromsteuerkurve abgelegt wird.
[0033] Entsprechende Verfahren können zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes bei einer Haltevorrichtung mit drei und mehr Drehgelenken zur Anwendung kommen, indem geeignete drei- oder mehrdimensionale Stromsteuerkurven für Elektromotoren, die den Drehgelenken zugeordnet sind, ermittelt bzw. zum Ansteuern der Elektromotoren herangezogen werden.
[0034] Bei einer als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung muss gewährleistet sein, dass für jedes neu aufgenommene Instrument, Werkzeug oder Werkstück entweder eine vorherige Kalibrierung von positionsabhängigen Motorströmen vorgenommen wird oder für jeden aufgenommenen Gegenstand entsprechende Identifikationen zusammen mit den absoluten oder additiven positionsabhängigen Kompensations-Motorstromkurven etwa aus einem elektronischen Speicher abgerufen werden können. Hierzu können Gegenstände, die mit der Haltevorrichtung aufgenommen werden sollen, über einen Barcode oder einen Mikrochip mit einer automatischen Identifikation versehen werden. Darüber hinaus ist es möglich, die aus der Fertigungsindustrie bekannten Methoden zur Werkzeugidentifikation, wie sie bei automatischen Zufuhreinrichtungen bei Werkzeugmaschinen bekannt sind, zu verwenden.
[0035] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
[0036] Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Haltevorrichtung für ein Operationsmikroskop als medizinisch-optisches Instrument in einer ersten Stellung;
<tb>Fig. 2<sep>die Haltevorrichtung aus Fig. 1in einer zweiten Stellung;
<tb>Fig. 3<sep>schematisch ein erstes Drehgelenk der Haltevorrichtung aus Fig. 1;
<tb>Fig. 4<sep>schematisch ein zweites Drehgelenk der Haltevorrichtung aus Fig. 1;
<tb>Fig. 5<sep>das Zustandekommen eines Drehmoments in einem Drehgelenk der Haltevorrichtung aus Fig. 1;
<tb>Fig. 6<sep>den Zusammenhang zwischen Drehgelenkstellung und einem an dem betreffenden Drehgelenk auftretenden Drehmoment;
<tb>Fig. 7<sep>schematisch eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Elektromotors in einem Drehgelenk der Haltevorrichtung aus Fig. 1;
<tb>Fig. 8<sep>schematisch ein Drehgelenk mit medizinisch-optischem Instrument und Elektromotor;
<tb>Fig. 9<sep>Motorstromkurven des Elektromotors bei dem Drehgelenk aus Fig. 8;
<tb>Fig. 10<sep>eine Haltevorrichtung mit Operationsmikroskop;
<tb>Fig. 11<sep>schematisch eine Schaltungsanordnung zur Steuerung mehrerer Elektromotoren in einer Schaltungsanordnung mit mehreren Drehgelenken;
<tb>Fig. 12<sep>eine als Manipulator ausgebildete Haltevorrichtung;
<tb>Fig. 13<sep>schematisch eine Schaltungsanordnung mit Regelkreis zur Steuerung eines Elektromotors in einem Drehgelenk der als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung aus Fig. 9; und
<tb>Fig. 14<sep>eine Schaltungsanordnung mit Regelkreisen zur Steuerung von Elektromotoren in mehreren Drehgelenken einer Haltevorrichtung.
[0037] Die Fig. 1 zeigt eine Haltevorrichtung 101 mit einem Parallelogrammlenker 102, an dem ein Operationsmikroskop 103 als medizinisch-optische Ausrüstung aufgenommen ist. Die Haltevorrichtung 101 ist mittels eines Traglenkers 104 an einem nicht weiter dargestellten Stativ befestigt. An diesem Traglenker 104 kann die Haltevorrichtung 101 um eine vertikale Drehachse 105 gedreht werden.
[0038] Der Parallelogrammlenker 102 umfasst Lenker 106 bis 110 mit Drehgelenken 111 bis 117.
[0039] Dem Drehgelenk 111 ist ein erster Elektromotor zugeordnet. Dieser Elektromotor ermöglicht eine gesteuerte Bewegung der Parallelogrammlenker 102 um eine horizontale Drehachse 118. Bei dieser Bewegung wird das Operationsmikroskop seitlich verschwenkt.
[0040] An dem Lenker 110 ist ein weiteres Drehgelenk 119 mit einer Drehachse 120 aufgenommen. Auch diesem Drehgelenk 119 ist ein Elektromotor zugeordnet. Mit diesem Elektromotor kann um die Drehachse 120 eine Kippbewegung des Operationsmikroskops 103 gesteuert werden.
[0041] Um Vibrationen der an der Haltevorrichtung 101 aufgenommenen medizinisch-optischen Ausrüstung zu erfassen, ist an dem Operationsmikroskop 103 als Sensor zum Erfassen von Schwingungen ein Beschleunigungssensor 121 befestigt.
[0042] Die Fig. 2 zeigt die Haltevorrichtung 101 aus Fig. 1in einer aus gelenkten Parallelogrammlenkerstellung. Die Einheiten der Haltevorrichtung in Fig. 2 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, die auch in Fig. 1verwendet wurden. Das Operationsmikroskop 103 in Fig. 2 ist relativ zur Stellung des Operationsmikroskops in Fig. 1 seitlich verschwenkt.
[0043] Die Fig. 3 zeigt schematisch das Drehgelenk 111 der Haltevorrichtung 101 aus Fig. 1. Das Drehgelenk 111 hat einen ersten Gelenkteil 301 und einen zweiten Gelenkteil 302, der relativ zum Gelenkteil 301 bewegt werden kann. Der Gelenkteil 302 ist mit Lagereinheiten 303 und 304 an dem Gelenkteil 301 gelagert. Dem Drehgelenk 111 ist ein Elektromotor 305 zugeordnet, der mittels einer Welle 306 mit dem Gelenkteil 302 verbunden ist. Mit dem Elektromotor 305 kann ein Drehmoment erzeugt werden, das in den zweiten Gelenkteil 302 des Drehgelenks 111 eingeleitet wird.
[0044] Der Elektromotor 305 hat einen Encoder 307. Dieser Encoder 307 stellt ein Spannungssignal bereit, aus dem mit einer geeigneten Signalverarbeitungseinheit eine momentane Stellung des Elektromotors und damit der Welle 306 abgeleitet werden kann. Aus dem Spannungssignal des Encoders 307 kann somit die Stellung des Drehgelenks 111 bestimmt werden.
[0045] In dem Drehgelenk 111 ist weiter eine Magnetbremse 308 vorgesehen, die je nach Ansteuerung eine Bewegung des zweiten Gelenkteils relativ zum ersten Gelenkteil freigibt oder unterbindet.
[0046] Mit dem Drehmoment, das der Elektromotor 305 bereitstellt, kann entweder ein an dem zweiten Gelenkteil 302 anliegendes Last-Drehmoment ausgeglichen werden oder das Gelenkteil 302 kann entsprechend der Ansteuerung des Elektromotors 305 bewegt werden.
[0047] Die Fig. 4 zeigt schematisch das weitere Drehgelenk 119 aus Fig. 1. So wie das Drehgelenk 111 ist auch dem Drehgelenk 119 ein Elektromotor 405 zugeordnet, mit dem ein an einem Gelenkteil 402 anliegendes Drehmoment ausgeglichen werden kann. Der Elektromotor 405 ist in einem ersten Gelenkteil 401 des Drehgelenks 119 gehalten. Das Drehgelenk 119 umfasst weiter Lagereinheiten 403 und 404, die eine Bewegung des zweiten Gelenkteils 402 zu dem ersten Gelenkteil 401 ermöglichen.
[0048] Der Elektromotor 405 ist mit dem zweiten Gelenkteil 402 über ein Getriebe 406 gekoppelt. Dieses Getriebe umfasst ein Antriebsritzel 407, das auf einer Antriebswelle des Elektromotors 405 angeordnet ist. Dieses Antriebsritzel 407 kämmt mit einem Zahnkranz 408, der mit dem zweiten Gelenkteil fest verbunden ist.
[0049] Um auch bei unbestromtem Elektromotor eine Bewegung vom ersten Gelenkteil 401 und zweiten Gelenkteil 402 freigeben oder unterbinden zu können, ist in dem Drehgelenk 119 eine Magnetbremse 409 vorgesehen.
[0050] Das Drehgelenk 119 umfasst weiter einen Stellungsgeber 410, der ein Spannungssignal bereitstellt, das einer momentanen Stellung des Zahnkranzes 408 am zweiten Gelenkteil 402 des Drehgelenks 119 entspricht.
[0051] Anhand der Fig. 5 bis 7 ist erläutert, wie mit dem Elektromotor in den Drehgelenken sowohl ein an den Drehgelenken 111 oder 119 aus Fig. 1auftretendes Last-Drehmoment als auch Schwingungen bzw. Vibrationen kompensiert werden können.
[0052] Hierzu zeigt die Fig. 5schematisch ein Drehmoment 501, das an einem Drehgelenk 502 aufgrund einer Last mit Schwerpunkt 503, die mit einem Hebelarm 504 an dem Drehgelenk 502 aufgenommen ist, auftritt, weil diese Last einer Gewichtskraft 505 ausgesetzt ist. Als Funktion des Winkels [phi] zwischen der Gewichtskraft 505 und dem Hebelarm 504 ergibt sich eine in Fig. 6dargestellte Abhängigkeit des Betrags des im Drehgelenk 502 auftretenden Drehmoments D.
[0053] Es gilt: D = IMg sin [phi], wobei:
<tb>l<sep>die Länge des resultierenden Hebelarms
<tb>M<sep>die Masse des Schwerpunkts,
<tb>g<sep>die Erdbeschleunigungskonstante, und
<tb>[phi]<sep>der Winkel zwischen Hebelarm und der Richtung der Gewichtskraft ist.
[0054] Indem der Elektromotor in den Drehgelenken 111 und 119 der Haltevorrichtung 101 aus Fig. 1so bestromt wird, dass er ein in den Drehgelenken auftretendes Last-Drehmoment kompensiert, wird an den Drehgelenken ein Gleichgewichtszustand eingestellt.
[0055] Zur automatischen Einstellung eines solchen Gleichgewichtszustandes ist der Elektromotor in diesen Drehgelenken entsprechend einer in der Fig. 7gezeigten Schaltungsanordnung beschaltet. Die Schaltungsordnung 701 hat eine Motorsteuereinheit 702, die mit dem Elektromotor 703 verbunden ist. Der Motorsteuereinheit 702 werden Signale von einem Stellungsgeber 704 zugeführt, der als Winkelsensor oder als Encoder ausgebildet ist. Dieser Stellungsgeber 704 gibt eine momentane Winkelstellung des Drehgelenks an. Entsprechend einer momentan erfassten Winkelstellung des Drehgelenks wird eine in einem elektronischen Speicher 705 abgelegte Stromsteuerkurve ausgelesen. Diese Stromsteuerkurve entspricht dem bei jeder Stellung des Drehgelenks erforderlichen Stromwert für Drehmomentausgleich durch den Elektromotor.
[0056] Wird also die Stellung des Operationsmikroskops 103 aus Fig. 1 so verändert, dass die Drehgelenke 111 oder 119 mit Elektromotor bewegt werden, so steuert die betreffende Motorsteuereinheit den Motorstrom entsprechend der momentanen Drehgelenkstellungen derart, dass es in den Drehgelenken zu einem Drehmomentausgleich kommt. Hierfür wird für jedes Drehgelenk 111, 119 mit Elektromotor eine in betreffenden elektronischen Speichern abgelegte Stromsteuerkurve ausgelesen. Diese Stromsteuerkurve hängt von der Stellung der beiden Drehgelenke 111, 119 und von der Masseverteilung des an der betreffenden Haltevorrichtung aufgenommenen medizinisch-optischen Instruments ab.
Wird diese Masseverteilung verändert, beispielsweise indem an das medizinisch-optische Instrument Peripheriegeräte angeschlossen werden, so muss für Drehmomentausgleich in Drehgelenken auf eine modifizierte Stromsteuerkurve zugegriffen werden.
[0057] Eine solche Stromsteuerkurve kann grundsätzlich auf einfache Weise ermittelt werden. Hierzu wird der zur Bewegung der Haltevorrichtung um die betreffenden Drehgelenke mittels Elektromotor erforderliche Strom als Funktion der momentanen Stellung dieser Drehgelenke erfasst und in dem betreffenden elektronischen Speicher abgelegt. Dabei wird beispielsweise das Drehgelenk 111 in eine bekannte Position bewegt und anschliessend die Stromsteuerkurve für das Drehgelenk 119 aufgenommen. In einem nächsten Schritt wird dann das Drehgelenk 119 in eine bekannte Position verfahren und dann die entsprechende Stromsteuerkurve für das Drehgelenk 111 ermittelt. Aus den so ermittelten Stromkurven kann dann mittels trigonometrischer Funktionen ein zweidimensionaler Stromdatensatz für Gleichgewicht in einer jeden Stellung der Drehgelenke 111 und 119 bestimmt werden.
[0058] Um einen Servobetrieb des Elektromotors 703 für ein Drehgelenk einer beschriebenen Haltevorrichtung zu ermöglichen, sind der Motorsteuereinheit 702 Servoschalter 706 zugeordnet. Ein solcher Servobetrieb kann beispielsweise für eine Feinjustage des medizinisch-optischen Instruments an der Haltevorrichtung von Vorteil sein.
[0059] Die Schaltungsanordnung 701 umfasst weiter einen Schwingungsdämpfungs-Regelkreis 707, dem ein Sensor zum Erfassen von Schwingungen bzw. Vibrationen der an der Haltevorrichtung aufgenommenen Ausrüstung zugeordnet ist. Der Schwingungsdämpfungs-Regelkreis 707 gibt auf den Elektromotor 703 ein Stromsignal aus, das demjenigen aus der Motorsteuereinheit 702 überlagert ist. Der Sensor 708 zum Erfassen von Schwingungen bzw. Vibrationen liefert als Regelgrösse für den Schwingungsdämpfungs-Regelkreis 707 ein Signal, das ein Mass für die Grösse einer Schwingung bzw. Vibration von an der Haltevorrichtung aufgenommener Ausrüstung ist. Aus dieser Regelgrösse bildet der Schwingungsdämpfungs-Regelkreis 707 das Stromsignal für den Elektromotor 703 als Stellgrösse in der Weise, dass durch Bewegen des Elektromotors 703 der erfassten Schwingung bzw. Vibration entgegengewirkt wird.
[0060] Anhand von Fig. 8 und Fig. 9 ist eine weitere Methode zum Ermitteln einer Stromsteuerkurve für Drehmomentausgleich an einem Drehgelenk einer Haltevorrichtung beschrieben.
[0061] Die Fig. 8 zeigt ein Drehgelenk 800 einer Haltevorrichtung, das eine um eine Achse 801 drehbar gelagerte Masse in Form eines medizinisch-optischen Instruments 802 trägt. Das medizinisch-optische Instrument 802 erfährt eine Schwerkraft in Richtung des Pfeils 803. Diese Schwerkraft ruft in der Achse 801 des Drehgelenks 800 einen Last-Drehmoment 804 hervor. Zur Kompensation dieses Last-Drehmoments 804 ist dem Drehgelenk 800 eine Antriebseinheit mit Elektromotor 805 zugeordnet. Der Elektromotor 805 ist mittels eines Getriebes 806 an die Achse 801 des Drehgelenks gekoppelt und vermag so, das medizinisch-optische Instrument 802 in Richtung der Pfeile 807, 808 zu bewegen. Bei einer Bewegung des medizinisch-optischen Instruments 802 treten im Allgemeinen am Drehgelenk 800 Reibungskräfte und Beschleunigungskräfte auf.
Diese Kräfte erweisen sich insbesondere als davon abhängig, in welcher Richtung das medizinisch-optische Instrument 802 am Drehgelenk 800 verstellt wird.
[0062] Die Fig. 9 zeigt in einem Graphen 903 eine erste Motorstromkurve 901 einen Motorstrom für den Elektromotor 805 aus Fig. 8in Abhängigkeit der Winkelstellung [phi] des Drehgelenks 800 aus Fig. 8, um das medizinisch-optische Instrument 802 in Richtung des Pfeils 807 zu bewegen. Eine Motorstromkurve 902 entspricht dem Motorstrom des Elektromotors 805 aus Fig. 8, der erforderlich ist, um das medizinisch-optische Instrument in Richtung des Pfeils 803 aus Fig. 8 zu bewegen.
[0063] Die Motorstromkurven 901 und 902 erweisen sich messungsbedingt als verrauscht und sind parallel zur Abszisse des Graphen 903 verschoben. Durch Bilden eines Mittelwertes der Motorstromkurve 901 und 902 mittels geeigneter mathematischer Mittelungsalgorithmen ergibt sich eine unverrauschte Motorstromkurve 904. Diese Motorstromkurve 904 entspricht einem mittels des Elektromotors 805 aus Fig. 8erzeugbaren Drehmoments beim Drehgelenk 800, das eine gegebene Drehgelenkstellung an einen exakten statischen Drehmomentausgleich ermöglicht. Diese Motorstromkurve ist nämlich weder durch Reibungs- noch durch Beschleunigungskräfte verfälscht, da der Beitrag dieser Kräfte durch Bilden des entsprechenden Mittelwertes eliminiert wurde.
[0064] Um eine geeignete Motorstromkurve für Drehmomentausgleich zu berechnen, ist es dabei nicht erforderlich, das medizinisch-optische Instrument 802 am Drehgelenk 890 aus Fig. 8 im Winkelbereich 0 <= [phi] <= 2 [pi] um die Achse des Drehgelenks 801 zu bewegen.
[0065] Da bekannt ist, dass das statische Last-Drehmoment bei dem Drehgelenk der anhand von Fig. 6erläuterten Beziehung genügt, ist es nämlich mittels geeigneter mathematischer Algorithmen möglich, aus dem erfassten Verlauf der Motorstromkurven in einem Winkelbereich 905 oder 906 in Fig. 9auf eine Motorstromkurve im Winkelbereich 0 < [phi] < 2 [pi] zu schliessen.
[0066] Die Fig. 10 zeigt ein an einer Haltevorrichtung 1000 aufgenommenes Operationsmikroskop 1001. Das Operationsmikroskop 1001 ist an der Haltevorrichtung 1000 und eine Achse 1002 drehbar gelagert und kann dort in den mit dem Pfeil 1003 angedeuteten Winkelbereich verstellt werden. Zum Ausgleich von Last-Drehmomenten in beliebigen Winkelstellungen des Operationsmikroskops 1001 ist ein Elektromotor 1004 vorgesehen, der mittels eines Getriebes auf das Operationsmikroskop 1001 wirkt.
[0067] Zur Aufnahme einer geeigneten Motorstromkurve für Drehmomentausgleich ist es hier ausreichend, das Operationsmikroskop 1001 beispielsweise im Bereich einer der mit den Pfeilen 1005, 1006 oder 1007 angedeuteten Winkelbereichen zu bewegen. Damit kann, selbst wenn eine Bewegung des Operationsmikroskops 1001 um die Achse 1002 aufgrund von angeschlossenen Zusatzgeräten eingeschränkt ist, eine über den gesamten zugänglichen Winkelbereich passende Motorstromkurve für Drehmomentausgleich bestimmt werden.
[0068] Die Fig. 11 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung zur Steuerung mehrerer Elektromotoren in einer Schaltungsanordnung mit mehreren Drehgelenken. Die Schaltungsanordnung 1101 hat eine Motorsteuereinheit 1102, die mit Elektromotoren 11031, 11032, ..., 1103n verbunden sind. Diese Elektromotoren 11031, 11032, ..., 1103nsind Drehgelenken 11041, 11042, ..., 1104n zugeordnet. Jedes Drehgelenk mit Elektromotor umfasst einen Stellungsgeber oder Encoder, mit dem die momentane Winkelstellung des Drehgelenks bestimmt werden kann. Weiter sind bei der Schaltungsanordnung 1101 Schwingungsdämpfungs-Regelkreise 11051, 11052, ..., 1105n vorgesehen. Diese Schwingungsdämpfungs-Regelkreise 11051, 11052, ..., 1105nwerden mit dem Signal eines Schwingungs- bzw. Vibrationssensors 1106 gespeist.
Es sei bemerkt, dass grundsätzlich in der Schaltungsanordnung auch mehrere solche Schwingungs- bzw. Vibrationssensoren vorgesehen werden können, die an verschiedenen Stellen in der Haltevorrichtung angeordnet sind.
[0069] Eine mehrdimensionale Stromsteuerkurve, die als Grundlage zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes bei einer Haltevorrichtung mit entsprechend vielen Drehgelenken herangezogen werden kann, lässt sich bestimmen, indem zunächst die Winkelstellung aller Drehgelenke 11041, 11042, ..., 1104n ermittelt wird. Bei bekannter Stellung der Drehgelenke 11042, ..., 1104nwird dann eine Stromsteuerkurve wie anhand von Fig. 7 beschrieben für den Elektromotor 11031 des Drehgelenks 11021 aufgenommen und als n-dimensionaler Datensatz in einem elektronischen Speicher 1105 abgelegt. Anschliessend wird eine entsprechende Stromkurve für das Drehgelenk 11032 bei bekannter Stellung der übrigen Drehgelenke aufgenommen, und so weiter.
[0070] Nach dem Ermitteln eines Stromkurvensatzes kann durch Umrechnen mit entsprechenden trigonometrischen Funktionen für alle Drehgelenke 11031, 11032, ..., 1103nbei bekannter Winkelstellung aller Drehgelenke ein Stromdatensatz berechnet werden, der für jeden Elektromotor 11031, 11032, ..., 1103n einen Strom für Gleichgewicht angibt. Mittels der Schwingungsdämpfungs-Regelkreise 11051, 11052, ..., 1105n kann die Schaltungsanordnung so betrieben werden, dass mechanischen Schwingungen von einer an einer entsprechenden Haltevorrichtung aufgenommenen Last entgegengewirkt wird.
[0071] Die Fig.12 zeigt eine als Manipulator 1200 ausgebildete Haltevorrichtung mit mehreren Drehgelenken. Die Haltevorrichtung umfasst einen Lenker 1201, der an einer Ständereinheit 1202 angeordnet ist und dort mit Drehachsen 1203 und 1204, denen Elektromotoren 1205 und 1206 zugeordnet sind, bewegt werden kann. Der Lenker 1201 ist über ein Drehgelenk 1207 mit dem Lenker 1208 verbunden. Über ein Drehgelenk 1209 hält dieser Lenker 1208 wiederum einen Lenker 1210. An diesem Lenker 1210 befindet sich an einem Drehgelenk 1211 eine Instrumentenaufnahmeeinheit 1212 mit einer Einheit zur Aufnahme eines Werkzeugs in Form eines Instrumentenhalters 1213. Der Instrumentenhalter 1213 hält als medizinisches Instrument ein Operationswerkzeug 1220.
An der Instrumentenaufnahmeeinheit 1212 ist ein Handgriff 1214 vorgesehen, mit dem eine nicht dargestellte Bedienperson den Manipulator 1200 steuern kann. An den Drehgelenken 1207, 1209 und 1211 sind jeweils Elektromotoren 1215, 1216 und 1217 angeordnet. Die Ständereinheit 1202 selbst befindet sich auf einer Ständerkonsole 1218 und kann dort um eine vertikale Achse 1219 gedreht werden. Mit dem Handgriff 1214 ist es einer Bedienperson möglich, das am Instrumentenhalter 1213 aufgenommene Instrument 1220 entsprechend der mit Pfeilen 1221, 1222, 1223 und 1224 angedeuteten Richtungen zu bewegen. Am Lenker 1208 des Manipulators 1200 gibt es einen Biegesensor als Sensor zum Erfassen von Schwingungen. Optional können an den übrigen Lenkern 1201, 1210 auch Biegesensoren vorgesehen sein.
[0072] An den Drehgelenken des Manipulators 1200 sind Winkelgeber 1225, 1226, 1227 und 1228 vorgesehen, mittels derer die momentane Stellung der Drehgelenke erfasst wird. Die Signale der Winkelgeber 1225, 1226, 1227 und 1228 werden einer Steuervorrichtung 1229 zugeführt, welche die Elektromotoren 1215, 1216 und 1217 entsprechend der anhand von Fig. 11 erläuterten Weise für Drehmomentausgleich steuert. Dies gestattet einer Bedienperson, über den Handgriff 1214 den Manipulator 1200 entsprechend der mit den Pfeilen 1221, 1222, 1223 und 1224 angedeuteten Richtungen kräftefrei zu führen. Die Signale von einem oder mehreren Biegesensoren werden entsprechenden Regelkreisen zugeführt, die Stromsignale auf die Elektromotoren ausgeben, um erfasste Schwingungen bzw. Vibrationen aktiv zu unterdrücken.
[0073] Die Fig. 13 zeigt schematisch eine im Vergleich zu Fig. 7bzw. Fig. 11modifizierte Schaltungsanordnung 1301 zur Steuerung eines Elektromotors 1303 in einem Drehgelenk der als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung aus Fig. 12.
[0074] Die Schaltungsanordnung 1301 umfasst eine Motorsteuereinheit 1302, die mit dem Elektromotor 1303 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 1301 enthält weiter einen Stellungsgeber 1304, welcher der Motorsteuereinheit 1302 eine Information über die momentane Stellung des Drehgelenks mit dem Elektromotor 1303 zuführt. Entsprechend der Schaltungsanordnung 701 auf Fig. 7 weist die Schaltungsanordnung 1301 einen elektronischen<->Speicher 1305 auf; in dem eine Stromsteuerkurve abgelegt ist. Die Stromsteuerkurve trägt die Information eines für Drehmomentausgleich erforderlichen Stromes für den Elektromotor an dem betreffenden Drehgelenk als Funktion der Drehgelenkstellung. Diese Stromsteuerkurve kann beispielsweise als mathematische Funktion oder als Wertetabelle abgespeichert sein. Dabei kann vorgesehen sein, ggf.
Zwischenwerte mittels einer geeigneten mathematischen Funktion zu interpolieren. Für eine momentane Drehgelenkstellung generiert die Motorsteuereinheit 1302 ein Motorsteuersignal ME für Drehmomentausgleich in dem Drehgelenk mit Elektromotor 1303.
[0075] Im Unterschied zur Schaltungsanordnung 701 aus Fig. 7 ist bei der Schaltungsanordnung 1301 zusätzlich eine Einheit zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung 1306 vorgesehen. Die Einheit zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung 1306 ist mit dem Stellungsgeber 1304 verbunden. Sie ermittelt durch zeitliches Ableiten der vom Stellungsgeber 1304 zugeführten Information über die Drehgelenkstellung die zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung. Alternativ ist es beispielsweise aber auch möglich, die zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung durch Auswerten des Motorstromes im Elektromotor 1303 des entsprechenden Drehgelenks zu erfassen.
[0076] Die Information der zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung 1306 wird ebenfalls der Motorsteuereinheit 1302 zugeführt. Dort speist die erfasste zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung als Regelgrösse einen Regelkreis 1307, der als Stellgrösse ein Motorsteuersignal MR ausgibt. Der Regelkreis 1307 ist als PID-Regelkreis ausgebildet, dem als Sollwert der Wert
<EMI ID=2.1>
als Wert für eine gewünschte zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung vorgegeben ist. Es sei jedoch bemerkt, dass der Regelkreis auch nach einem anderen in der Fachwelt geläufigen Regelprinzip aufgebaut sein kann.
[0077] Aufgrund des gewählten Sollwertes
<EMI ID=3.1>
entspricht das Motorsteuersignal MR einem Motorstrom im Elektromotor 1303, der einem Verstellen des Drehgelenks entgegenwirkt.
[0078] In der Motorsteuereinheit 1302 wird das vom Regelkreis 1307 ausgegebene Motorsteuersignal MR dem Motorsteuersignal MEfür Drehmomentausgleich in dem Drehgelenk mit Elektromotor 1303 bei gegebener Winkelstellung überlagert.
[0079] Eine Bedienperson, die das entsprechende Drehgelenk etwa mit einem in der Fig. 12gezeigten Handgriff 1214 verstellt, nimmt dieses Entgegenwirken des Elektromotors als einen von einer Verstellgeschwindigkeit abhängigen Verstellwiderstand entsprechend einer Trägheitskraft war.
[0080] Die Abhängigkeit des Verstellwiderstands von der Verstellgeschwindigkeit kann etwa durch Auswahl der Zeitkonstante bei dem PID-Regelkreis auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
[0081] Bei Verwendung entsprechender Regelkreise ist es grundsätzlich auch möglich, einer gegebenen Verstellgeschwindigkeit einen gewünschten Verstellwiderstand zuzuordnen.
[0082] Die Schaltungsanordnung 1301 ermöglicht so beispielsweise, mit dem Handgriff 1214 aus Fig. 12ein an einer Haltevorrichtung aufgenommenes Instrument im Gleichgewicht um ein Drehgelenk zu bewegen, ohne dass hierbei von einer Bedienperson Drehmomente erzeugt werden müssen, die den Drehmomenten, die aufgrund einer Verlagerung des Massenschwerpunkts des aufgenommenen Instruments bei dem betreffenden Drehgelenk anfallen, entgegenwirken. Gleichzeitig nimmt beim Bewegen des Handgriffs die Bedienperson einen haptisch wahrnehmbaren Widerstand wahr, der beispielsweise unterbindet, dass sich Zitterbewegungen einer menschlichen Hand auf das an der Haltevorrichtung aufgenommene Instrument übertragen.
Dabei müssen von einer Bedienperson bei dem Manipulator nicht vordefinierbare Kräfte und Momente, wie beispielsweise Schnitt- und Rückstellkräfte beim Schneiden von Gewebe vom Anwender selbst aufgebracht werden. Dies ist jedoch wünschenswert, denn hierdurch hat die betreffende Bedienperson ein reales, haptisch wahrnehmbares Feedback ohne verfälschende Fremdkräfte.
[0083] Die Fig. 14 zeigt schematisch eine weitere Schaltungsanordnung 1401 zur Steuerung von mehreren Elektromotoren 14031, 14032, ..., 1403n, die in entsprechenden Drehgelenken einer als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung angeordnet sind, wie sie grundsätzlich schon anhand von Fig. 11 erläutert wurde. Die Schaltungsanordnung umfasst auch einen Schwingungsdämpfungs-Regelkreis, optional auch mehrere Schwingungsdämpfungs-Regelkreise, die jedoch nicht dargestellt sind. Die Schaltungsanordnung 1401 hat eine Motorsteuereinheit 1402, die mit den Elektromotoren 14031, 14032, ..., 1403nan den entsprechenden Drehgelenken verbunden ist, deren Drehgelenkstellung durch Stellungsgeber 14041, 14042, ..., 1404n erfasst wird.
Entsprechend der Schaltungsanordnung 1101 aus Fig. 11 umfasst die Schaltungsanordnung 1101 einen elektronischen Speicher, in dem eine mehrdimensionale Stromsteuerkurve abgelegt ist, welche die Information eines Motorstromes für Gleichgewicht ME1, ME2, ..., MEn für die Elektromotoren 14031, 14032, ..., 1403n für eine gegebene Stellung der Drehgelenke enthält.
[0084] Im Unterschied zur Schaltungsanordnung 1101 sind bei der Schaltungsanordnung 1401 als Einheiten zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Stellung der betreffenden Drehgelenke 14061, 14062, ..., 1406n vorgesehen, welche die Information einer zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung der Motorsteuereinheit 1402 zuführen.
[0085] In der Motorsteuereinheit 1402 speist diese Information als Regelgrösse Regelkreise 11071, 14072 ..., 1407n, welche als Stellgrösse ein Motorsteuersignal MR1, MR2, ..., MRn, ausgeben. Entsprechend der anhand von Fig. 13 erläuterten Schaltungsanordnung wirkt ein jedes der Motorsteuersignale MR1, MR2, ..., MRn, dem Verstellen des Drehgelenks, dem der betreffende Elektromotor 14031, 14032, ..., 1403n zugeordnet ist, entgegen.
[0086] In der Motorsteuereinheit 1402 werden die von den Regelkreisen 14071 14072, ..., 1407n ausgegebenen Motorsteuersignale MR1, MR2, ... MRn den Motorsteuersignalen ME1, ME2, ..., MEnfür Drehmomentausgleich durch die Elektromotoren 14031, 14032, ... 1403nüberlagert.
[0087] Die Schaltungsanordnung ermöglicht somit mit einem Manipulator als Haltevorrichtung mit mehreren Drehgelenken, die mit entsprechenden Elektromotoren angetrieben werden, über einen geeigneten Handgriff ein Instrument im Gleichgewicht zu führen, das heisst für eine Bedienperson scheinbar kräftefrei zu bewegen, ohne dass sich beispielsweise Zitterbewegungen einer menschlichen Hand auf das Instrument übertragen.
[0088] Eine als Manipulator ausgebildete Haltevorrichtung, die über eine in der Fig. 11gezeigte Schaltungsanordnung gesteuert wird, erlaubt somit ein präzises, zitterfreies Führen von mikrochirurgischen Instrumenten, insbesondere Injektoren, Endoskopen oder Laparoskopen. Grundsätzlich kann ein solcher Manipulator in jeder Bewegungsachse mit einem elektronischen Antrieb versehen sein, der in geeigneter Weise gesteuert bzw. geregelt ist. Mit einem solchen Manipulator können beispielsweise Implantate, Permanentpharmaka, Sensoren, Aktoren oder auch Detektoren und Ähnliches an einem Patienten exakt positioniert werden.
[0089] Ein solcher Manipulator kann auch einen Tastkopf zum Vermessen von Werkstücken oder ein Greifwerkzeug tragen. Es ist grundsätzlich auch möglich, mit einem entsprechenden Manipulator schwere Instrumente, Gegenstände oder Werkzeuge aufzunehmen, welche dann eine Bedienperson feinmotorisch bewegen kann. Beispielsweise können so insbesondere schwere Gegenstände genau positioniert, fixiert oder montiert werden.
[0090] Wird für den Manipulator eine Lenkerkonstruktion gewählt, die einem Gewichtsausgleich um entsprechende Drehgelenke über eine geeignete Masseverteilung Rechnung trägt, so ist es möglich, vergleichsweise schwache Elektromotoren zur Einstellung eines Drehmomentausgleichs in den Bewegungsachsen des Manipulators einzusetzen. Dies kann grundsätzlich auch einen manuellen "Handbetrieb" des Manipulators ohne Unterstützung von Elektromotoren ermöglichen. Insbesondere müssen hier nur die vergleichsweise geringen Momente eines schwachen Elektromotors überwunden werden.
[0091] Für das Arbeiten mit dem Manipulator kann vorgesehen sein, einen mit dem Manipulator aufzunehmenden Gegenstand beispielsweise mittels Barcode oder durch Auslösen eines Mikrochips entsprechend zu identifizieren und entsprechend einer vorbekannten Massenverteilung des aufgenommenen Gegenstands dann geeignete Motorstromsteuerkurven für Drehmomentkompensation in dem Speicher einer dem Manipulator zugeordneten Steuervorrichtung einzustellen.
[0092] Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, dass ein entsprechendes Werkstück oder Werkzeug als ein am Manipulator aufgenommener Gegenstand grundsätzlich auch über das Identifikationsprinzip automatischer Zufuhreinrichtungen bei Werkzeugmaschinen in Form von Magazinen oder Wechslern identifiziert werden kann.
[0093] Im Vergleich zur klassischen Robotertechnik, in der aufwändige Sensor-Aktuator-Regelungen für Servobetrieb von mittels Motoren angetriebenen Roboterarmen eingesetzt werden müssen, hat die beschriebene Haltevorrichtung den Vorteil, dass es keiner kostspieligen Kraft-Momentsensoren bedarf.
The invention relates to a holding device for an instrument, in particular for a medical-optical instrument, with at least one rotary joint and means for compensating a load torque, which causes the instrument on the rotary joint, wherein the means for balancing the load Torque comprise an electric motor.
Such a holding device is known from DE 10 310 459 A1. There, a tripod device for a medical-optical instrument is described. In this tripod device, the medical-optical equipment is held on a cab, which is coupled via a rod and tooth gear with an electric motor. The holding device comprises a vibration sensor with a control loop. This control circuit makes it possible to control the electric motor so that vibrations of the medical-optical equipment are actively counteracted at the cab.
In DE 4 231 516 C2 an adjustable tripod for a surgical microscope is described which has a first and a second pivot. Each of these hinges is assigned an elastic energy store. The elastic energy store contains a torsion spring whose bias can be adjusted. The elastic energy accumulators generate a compensation torque, which counteracts a load torque in the pivot joints caused by the surgical microscope received on the stand.
In DE 4 320 443 C2, a holding device for a medical-optical instrument is described, are provided in the motor-adjustable balancing weights to compensate occurring in axes of rotation of the holding device load torques.
US 5,642,220 discloses a holding device for a medical-optical instrument in which a linear spring unit or a gas pressure cylinder is provided for generating a counter torque for the compensation of load torques. The linear spring unit or the gas pressure cylinder act on a lever arm. By varying a point of application of the gas pressure cylinder or linear spring unit, a desired compensation torque can be set.
In US 5,402,582 a holding device for receiving a probe for measuring workpieces is described. The holding device comprises a multi-jointed support arm. In the joints of the support arm torsion springs are provided. These torsion springs generate torques that counteract load torques in these joints.
DE 4 202 922 A1 discloses a motorized tripod with a surgical microscope as a holding device for a medical-optical instrument. This tripod has a support column, which is mounted on a stand and can be rotated about a vertical axis. At this support column a mehrgelenkiger support arm is arranged, which has four hinges with motor drives. These motor drives are assigned a control unit. The control unit is connected to angle encoders, which are arranged on the pivot joints. The control unit is given the desired position of a specific rotary joint. According to the predetermined joint position of a rotary joint, the drives of the holding device are then energized in order to move a certain Tragarmabschnitt on a rotary joint in a desired angular position.
From EP 1 152 182 A1 a surgical microscope with a tripod is known, which has a substantially horizontally extending motor-adjustable pivot axis. In this pivot axis is a stepper motor, which is controlled by means of a control element, in which force or torque sensors are provided, and enables a servo adjustment of the recorded on this axis surgical microscope.
The object of the invention is to provide a Haltevorrichrung in which a state of equilibrium for force-free movement of a recorded on the holding device can be adjusted by a hinge and beyond a servo-controlled movement of the instrument about this axis of rotation is possible without disturbing vibrations of the instrument can occur on the holding device.
This object is achieved by a holding device according to the features of claim 1.
In a further development of the invention, the sensor for detecting vibrations of the holding device is designed as an acceleration sensor. Vibrations of a medical-optical instrument on the holding device can be detected by, for example, the sensor being arranged directly on this instrument. If the sensor is designed as a bending sensor, it can be associated with a support arm of the holding device in order to conclude from a change over time of the bending of the support arm to vibrations or vibrations of the arrangement. It is also possible to carry out the sensor for detecting vibrations of the holding device as a motion sensor, which is arranged on assemblies of the holding device, which move due to vibrations or vibrations.
In a further development of the invention, the rotary joint is associated with a brake. In this way it can be ensured that the holding device does not move when the electric motor is not energized.
In a further development of the invention, the electric motor is coupled by means of a transmission with the rotary joint. In this way, a precise adjustment of a state of equilibrium in the holding device is made possible.
In a further development of the invention, the electric motor has a drive axle which is offset from a rotational axis of the rotary joint. In this way, space for connection devices to the medical-optical instrument is created in the holding device and it is for example possible to make an optical beam extraction in the respective axis of rotation.
In a further development of the invention, the means for detecting the position of the rotary joint on an encoder of the electric motor or a position sensor. In this way, a momentary position of the rotary joint can be determined precisely.
In a further development of the invention, the control unit of the electric motor is associated with an electronic memory in which a current rotary joint position curve or a table is stored with matching current values and rotary joints positions. In this way, a rapid assignment of required current value can be ensured for a given position of the medical-optical equipment.
In a further development of the invention, at least two rotary joints are provided with means for compensating a load torque. In this way, it is possible for the medical-optical equipment accommodated on the holding device to be moved without force in accordance with a plurality of degrees of freedom of movement.
In a further development of the invention means are provided for detecting a temporal change in the position of the rotary joint in the holding device. These means preferably detect a temporal change of the pivot position by mathematically deriving the determined pivot position after the time. The determined change in the rotary joint position is then fed as a control variable to a control circuit which outputs a motor current for the electric motor at the rotary joint as the manipulated variable. This motor current is superimposed on the motor current for torque compensation, so that the motor generates an additional torque, which counteracts a determined change in the pivot position.
With such a control loop, it is possible to simulate an operator an inertial effect. Thus, for example, in the case of a holding device designed as a manipulator, it is possible to prevent the trembling of a human hand, which carries an instrument recorded on the holding device, from being transmitted to the instrument itself. At the same time, such a control loop makes it possible for non-predefinable forces and moments, such as cutting and restoring forces in cutting elastic tissue, resection, or surgery to pick up an unknown object with a corresponding tool, from an operator as real Haptic feedback (feedback) is detected without distorting external forces.
In the field of medicine, for example, doctors are thereby able to keep their hands away from an operating area. This fundamentally opens up the possibility of using radiation-intensive intraoperative imaging methods during ongoing operation operation and of treating highly infectious patients as well. Since low-jitter, precise movements can be carried out with a holding device designed accordingly as a manipulator, preparation-intensive navigation, which is frequently used for precise interventions, is generally no longer necessary when using such a manipulator with a surgical microscope.
By appropriate active superimposition of current curves or current control curves of several electric motors of the manipulator in the weight-balanced state semi-robotic functions can be realized if necessary. For example, with proper control of critical areas of an operating area, the user may either be completely removed or he may be warned by an artificial resistance as long as he so desires. For this purpose, for example, the data from navigation tools, virtual 3D models or 3D webs in the corresponding motor positions can be converted to additively superposed motor currents. In the field of surgery, it is thus possible in particular to ensure that surgery is performed only in the marginal area of a tumor.
In general, compared to the classic robotics, the described control or regulating principle for a holding device has the advantage that it requires no force and / or torque sensors and no complex, difficult to control sensor actuator control must be used, the specific dynamic ranges only are difficult to access.
If in the holding device, the weight distribution of the support arms chosen so that at least approximately a weight compensation is given about axes of rotation to the joints in question, comparatively weak motors can be used to adjust the holding device. These motors then have to compensate for only small moments. In a holding device whose support arms are balanced about the axes of rotation of hinges, for example, it would only be necessary for the motors to compensate for the moments caused by an additionally received tool in the axes of rotation.
In a further development of the invention, the medical-optical instrument is added to a parallelogram with a support arm. Such a parallelogram link makes it possible to arrange the means for compensating a load torque ergonomically in the region of a stand arm above the medical-optical instrument. Furthermore, a stable reception of the medical-optical instrument on the holding device is thus ensured.
In a method for determining a current control curve for setting a state of equilibrium in a holding device according to the invention, the at least one rotary joint is moved by means of the electric motor about an axis of the rotary joint, which determines the required power to move the rotary joint of the electric motor, the instantaneous position of the rotary joint determines and determines the determined power consumption depending on the hinge position in an electronic memory stored as a current control curve. In this way, in the holding device for different configurations of medical-optical equipment, a state of equilibrium can be set.
It is also possible to determine a current control curve by the moves at least one rotary joint by means of the electric motor in a first direction, wherein the required to move the rotary joint power requirement of the electric motor is determined in dependence on the position of the rotary joint, and thereon the at least one rotary joint is moved in a second direction opposite to the first direction by means of the electric motor, the power requirement of the electric motor required for moving the rotary joint being determined as a function of the position of the rotary joint.
Preferably, then an average value of the required power for moving the at least one rotary joint in the first direction and the power required for moving the at least one rotary joint in the second direction power requirement is calculated and stored as a function of the pivot position in an electronic memory as a current control curve , In this way it is possible to generate a current control curve, which is not associated with errors due to frictional forces in the relevant swivel joint.
For determining the current control curve of the at least one rotary joint, it is sufficient to use the electric motor to move the rotary joint through a rotation angle section [delta] [phi], for example. »[Delta] [phi]» <= [pi] or »[Delta] [phi]» <= [pi] / 2 or »[Delta] [phi]» <= [pi] / 4, because it can from a portion of a detected current control curve on the entire course of the current control curve in the angle range 0th <= [phi] <= 2 [pi], which corresponds to one full turn of the swivel joint, to be closed. In this way, it is possible to record within a short time, possibly in a few seconds, a desired current curve or current control curve for the rotary joint.
By detecting a current position of the rotary joint in the holding device and the electric motor is energized according to a current control curve stored in a memory, a state of equilibrium for the medical optical equipment can be prepared by a current value of a certain position of the rotary joint for the electric motor is assigned for torque compensation.
It is also also possible to determine a momentary change in the position of the rotary joint and then output a change of the position of the rotary joint counteracting current to the electric motor.
Are in the holding device a plurality of hinges provided, the means for balancing a load torque with electric motor, so a state of equilibrium can be adjusted by a current position of a first pivot is determined, a momentary position of a second pivot joint is determined, and an electric motor associated with the first pivot and an electric motor associated with the second pivot are energized in accordance with a two-dimensional current control curve stored in a memory. In this case, the current control curve assigns a current value for torque compensation to the electric motors of the swivel joints in accordance with the determined instantaneous position of the swivel joints.
In order to determine a corresponding two-dimensional current control curve for setting a state of equilibrium in a holding device, the position of a first rotary joint is detected, in a known position of the first rotary joint, a second rotary joint by means of the second rotary joint associated with the electric motor moves about its axis, and then determined the required to move the second pivot power requirement of the electric motor. Then, the current position of the second rotary joint is detected and stored the specific power demand in dependence on the position of the second rotary joint in an electronic memory as the first current control curve.
Subsequently, in a known position of the second rotary joint, the first rotary joint is moved about its axis by means of the associated electric motor, wherein the movement required for movement of the electric motor determined according determines the instantaneous position of the first rotary joint, and then the determined power requirement as a function of the position of the second rotary joint is stored in an electronic memory as a second current control curve.
Corresponding methods can be used for setting a state of equilibrium in a holding device with three and more pivots by suitable three or more dimensional current control curves for electric motors, which are assigned to the swivel joints, determined or used to drive the electric motors.
When designed as a manipulator holding device must be ensured that either a previous calibration of position-dependent motor currents is made for each newly recorded instrument, tool or workpiece or for each recorded object corresponding identifications together with the absolute or additive position-dependent compensation motor current curves can be retrieved from an electronic memory. For this purpose, objects to be recorded with the holding device can be provided with a bar code or a microchip with an automatic identification. In addition, it is possible to use the methods of tool identification known from the manufacturing industry, as are known in automatic feeders in machine tools.
Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described below.
[0036] In the drawings:
<Tb> FIG. 1 <sep> a holding device for a surgical microscope as a medical-optical instrument in a first position;
<Tb> FIG. 2 <sep> the holding device of Figure 1 in a second position.
<Tb> FIG. 3 <SEP> schematically a first hinge of the holding device of Fig. 1;
<Tb> FIG. 4 <SEP> schematically a second pivot of the holding device of Fig. 1;
<Tb> FIG. 5 <sep> the occurrence of a torque in a hinge of the holding device of Fig. 1;
<Tb> FIG. 6 <sep> the relationship between pivot position and a torque occurring at the relevant rotary joint;
<Tb> FIG. 7 schematically a circuit arrangement for controlling an electric motor in a rotary joint of the holding device of Fig. 1;
<Tb> FIG. 8th <SEp> schematically a swivel joint with medical-optical instrument and electric motor;
<Tb> FIG. 9 <sep> Motor current curves of the electric motor in the rotary joint of Fig. 8;
<Tb> FIG. 10 <sep> a holding device with surgical microscope;
<Tb> FIG. 11 schematically a circuit arrangement for controlling a plurality of electric motors in a circuit arrangement with a plurality of swivel joints;
<Tb> FIG. 12 <sep> designed as a manipulator holding device;
<Tb> FIG. 13 schematically a circuit arrangement with control circuit for controlling an electric motor in a rotary joint of the manipulator designed as holding device of FIG. 9; and
<Tb> FIG. 14 <sep> a circuit arrangement with control circuits for controlling electric motors in a plurality of hinges of a holding device.
Fig. 1 shows a holding device 101 with a parallelogram link 102, on which a surgical microscope 103 is taken as a medical-optical equipment. The holding device 101 is fastened by means of a support arm 104 to a stand, not shown. At this support arm 104, the holding device 101 can be rotated about a vertical axis of rotation 105.
The parallelogram link 102 includes links 106 to 110 with pivots 111 to 117.
The rotary joint 111 is associated with a first electric motor. This electric motor allows a controlled movement of the parallelogram link 102 about a horizontal axis of rotation 118. In this movement, the surgical microscope is pivoted laterally.
On the handlebar 110, a further pivot 119 is received with a rotation axis 120. Also, this pivot 119 is associated with an electric motor. With this electric motor, a tilting movement of the surgical microscope 103 can be controlled about the rotation axis 120.
In order to detect vibrations of the medical optical equipment accommodated on the holding device 101, an acceleration sensor 121 is attached to the operation microscope 103 as a sensor for detecting vibrations.
Fig. 2 shows the holding device 101 of FIG. 1in a guided from Parallelogrammlenkerstellung. The units of the holding device in Fig. 2 are denoted by the same reference numerals as used in Fig. 1. The surgical microscope 103 in FIG. 2 is pivoted laterally relative to the position of the surgical microscope in FIG. 1.
Fig. 3 shows schematically the pivot 111 of the holding device 101 of Fig. 1. The hinge 111 has a first hinge part 301 and a second hinge part 302 which can be moved relative to the hinge part 301. The joint part 302 is mounted with bearing units 303 and 304 on the hinge part 301. The rotary joint 111 is associated with an electric motor 305, which is connected by means of a shaft 306 with the hinge part 302. With the electric motor 305, a torque can be generated, which is introduced into the second joint part 302 of the rotary joint 111.
The electric motor 305 has an encoder 307. This encoder 307 provides a voltage signal from which a current position of the electric motor and thus the shaft 306 can be derived with a suitable signal processing unit. From the voltage signal of the encoder 307 thus the position of the rotary joint 111 can be determined.
In the rotary joint 111, a magnetic brake 308 is further provided, depending on the activation, a movement of the second hinge part relative to the first hinge part releases or prevents.
With the torque provided by the electric motor 305, either a load torque applied to the second hinge part 302 can be compensated, or the hinge part 302 can be moved in accordance with the drive of the electric motor 305.
4 shows schematically the further rotary joint 119 of FIG. 1. Just as the rotary joint 111, the rotary joint 119 is associated with an electric motor 405 with which a torque applied to a joint part 402 can be compensated. The electric motor 405 is held in a first joint part 401 of the rotary joint 119. The hinge 119 further comprises bearing units 403 and 404, which allow a movement of the second hinge part 402 to the first hinge part 401.
The electric motor 405 is coupled to the second joint part 402 via a gear 406. This transmission comprises a drive sprocket 407 which is arranged on a drive shaft of the electric motor 405. This drive pinion 407 meshes with a ring gear 408 which is fixedly connected to the second hinge part.
In order to be able to release or prevent motion from the first joint part 401 and second joint part 402 even when the electric motor is not energized, a magnetic brake 409 is provided in the rotary joint 119.
The hinge 119 further includes a position sensor 410, which provides a voltage signal corresponding to a current position of the ring gear 408 on the second hinge part 402 of the rotary joint 119.
It is explained with reference to FIGS. 5 to 7, as can be compensated with the electric motor in the pivot joints both a load on the pivot joints 111 or 119 of FIG. 1 load torque and vibrations.
5 shows schematically a torque 501, which occurs at a pivot 502 due to a load with a center of gravity 503, which is received with a lever arm 504 at the pivot 502, because this load is subjected to a weight 505. As a function of the angle [phi] between the weight 505 and the lever arm 504, a dependency of the magnitude of the torque D occurring in the pivot 502 is shown in FIG.
The following applies: D = IMg sin [phi], where:
<Tb> l <sep> the length of the resulting lever arm
<Tb> M <sep> the mass of the center of gravity,
<Tb> g <sep> the gravitational acceleration constant, and
<Tb> [phi] <sep> is the angle between the lever arm and the direction of the weight.
By the electric motor is energized in the pivot joints 111 and 119 of the holding device 101 of Fig. 1so that it compensates for a load torque occurring in the swivel joints, an equilibrium state is set at the swivel joints.
For automatic adjustment of such a state of equilibrium, the electric motor in these hinges is connected in accordance with a circuit arrangement shown in FIG. The circuit arrangement 701 has a motor control unit 702 connected to the electric motor 703. The motor control unit 702 is supplied with signals from a position sensor 704, which is designed as an angle sensor or as an encoder. This position sensor 704 indicates a momentary angular position of the rotary joint. In accordance with a currently detected angular position of the rotary joint, a current control curve stored in an electronic memory 705 is read out. This current control curve corresponds to the current value required for each position of the rotary joint for torque compensation by the electric motor.
Thus, if the position of the operation microscope 103 of FIG. 1 is changed so that the hinges 111 or 119 are moved by electric motor, so the relevant engine control unit controls the motor current corresponding to the current pivot positions such that it comes in the hinges to a torque balance , For this purpose, a current control curve stored in respective electronic memories is read out for each rotary joint 111, 119 with an electric motor. This current control curve depends on the position of the two pivot joints 111, 119 and on the mass distribution of the medical-optical instrument received at the respective holding device.
If this mass distribution is changed, for example by connecting peripherals to the medical-optical instrument, then a modified current control curve must be accessed for torque compensation in rotary joints.
Such a current control curve can basically be determined in a simple manner. For this purpose, the power required to move the holding device about the respective hinges by means of electric motor current is detected as a function of the instantaneous position of these hinges and stored in the relevant electronic memory. In this case, for example, the rotary joint 111 is moved into a known position and then the current control curve for the rotary joint 119 is received. In a next step, the rotary joint 119 is then moved into a known position and then the corresponding current control curve for the rotary joint 111 is determined. From the current curves thus determined, a two-dimensional current data set for equilibrium in each position of the pivots 111 and 119 can then be determined by means of trigonometric functions.
In order to enable a servo operation of the electric motor 703 for a rotary joint of a described holding device, the motor control unit 702 associated with servo switch 706. Such a servo operation can be advantageous, for example, for a fine adjustment of the medical-optical instrument on the holding device.
The circuit arrangement 701 further comprises a vibration damping control loop 707 to which a sensor for detecting vibrations of the equipment accommodated on the holding device is associated. The vibration damping control circuit 707 outputs to the electric motor 703 a current signal superimposed on that from the engine control unit 702. The sensor 708 for detecting vibrations supplies as a controlled variable for the vibration damping control circuit 707 a signal which is a measure of the magnitude of vibration of equipment received on the holding device. From this controlled variable, the vibration damping control loop 707 forms the current signal for the electric motor 703 as a manipulated variable in such a way that, by moving the electric motor 703, the detected vibration or vibration is counteracted.
A further method for determining a current control curve for torque compensation at a swivel joint of a holding device is described with reference to FIGS. 8 and 9.
8 shows a rotary joint 800 of a holding device, which carries a mass rotatably mounted about an axis 801 in the form of a medical-optical instrument 802. The medical-optical instrument 802 experiences a gravitational force in the direction of the arrow 803. This gravitational force causes a load torque 804 in the axis 801 of the pivot joint 800. To compensate for this load torque 804, a drive unit with electric motor 805 is associated with the rotary joint 800. The electric motor 805 is coupled by means of a gear 806 to the axis 801 of the rotary joint and is thus able to move the medical-optical instrument 802 in the direction of the arrows 807, 808. Upon movement of the medical-optical instrument 802, frictional forces and acceleration forces generally occur at the pivot 800.
These forces prove to be particularly dependent on the direction in which the medical-optical instrument 802 is adjusted at the pivot 800.
FIG. 9 shows in a graph 903 a first motor current curve 901, a motor current for the electric motor 805 from FIG. 8 as a function of the angular position [phi] of the rotary joint 800 from FIG. 8, in the direction of the medical-optical instrument 802 Arrow 807 to move. A motor current waveform 902 corresponds to the motor current of the electric motor 805 of FIG. 8 required to move the medical optical instrument in the direction of the arrow 803 of FIG. 8.
The motor current curves 901 and 902 prove to be noisy due to the measurement and are shifted parallel to the abscissa of the graph 903. By taking an average of the motor current waveforms 901 and 902 by means of appropriate mathematical averaging algorithms, an unrestrained motor current waveform 904 results. This motor current waveform 904 corresponds to a torque generated by the electric motor 805 of Figure 8 at the pivot 800 which allows a given pivot position to provide accurate static torque compensation. Namely, this motor current curve is not distorted by either friction or acceleration forces, since the contribution of these forces has been eliminated by forming the corresponding mean value.
In order to calculate a suitable motor current curve for torque compensation, it is not necessary, the medical-optical instrument 802 at the pivot 890 of FIG. 8 in the angular range 0th <= [phi] <= 2 [pi] about the axis of the pivot joint 801 to move.
Namely, since it is known that the static load torque in the rotary joint satisfies the relationship explained with reference to FIG. 6, it is possible by means of suitable mathematical algorithms to obtain from the detected course of the motor current curves in an angular range 905 or 906 in FIG a motor current curve in the angular range 0 <[phi] <2 [pi] to close.
10 shows a surgical microscope 1001 accommodated on a holding device 1000. The surgical microscope 1001 is rotatably mounted on the holding device 1000 and an axis 1002 and can there be adjusted in the angular range indicated by the arrow 1003. To compensate for load torques in any desired angular positions of the surgical microscope 1001, an electric motor 1004 is provided, which acts on the surgical microscope 1001 by means of a transmission.
To accommodate a suitable motor current curve for torque compensation, it is sufficient in this case to move the surgical microscope 1001, for example, in the region of one of the angular ranges indicated by the arrows 1005, 1006 or 1007. Thus, even if a movement of the operation microscope 1001 around the axis 1002 is restricted due to connected accessories, a motor current curve for torque compensation which is appropriate over the entire accessible angular range can be determined.
Fig. 11 shows schematically a circuit arrangement for controlling a plurality of electric motors in a circuit arrangement with a plurality of swivel joints. The circuit 1101 has a motor control unit 1102 connected to electric motors 11031, 11032,..., 1103n. These electric motors 11031, 11032, ..., 1103 are associated with pivots 11041, 11042, ..., 1104n. Each swivel with electric motor includes a position sensor or encoder, with which the instantaneous angular position of the swivel joint can be determined. Further, in the circuit 1101 vibration damping control loops 11051, 11052, ..., 1105n are provided. These vibration damping control circuits 11051, 11052,..., 1105n are supplied with the signal of a vibration sensor 1106.
It should be noted that in principle in the circuit arrangement, a plurality of such vibration or vibration sensors can be provided, which are arranged at different locations in the holding device.
A multi-dimensional current control curve, which can be used as a basis for setting a state of equilibrium in a holding device with a corresponding number of hinges can be determined by first the angular position of all pivots 11041, 11042, ..., 1104n is determined. At a known position of the swivel joints 11042,..., 1104n, a current control curve is recorded as described with reference to FIG. 7 for the electric motor 11031 of the swivel joint 11021 and stored as an n-dimensional data set in an electronic memory 1105. Subsequently, a corresponding current curve for the rotary joint 11032 is recorded at a known position of the other rotary joints, and so on.
After determining a current set of curves can be calculated by converting with appropriate trigonometric functions for all pivots 11031, 11032, ..., 1103nbei known angular position of all pivots a stream data set for each electric motor 11031, 11032, ..., 1103n a Indicates current for equilibrium. By means of the vibration damping control circuits 11051, 11052,..., 1105n, the circuit arrangement can be operated so that mechanical vibrations are counteracted by a load received at a corresponding holding device.
12 shows a trained as a manipulator 1200 holding device with multiple hinges. The holding device comprises a handlebar 1201, which is arranged on a stand unit 1202 and can be moved there with axes of rotation 1203 and 1204, to which electric motors 1205 and 1206 are assigned. The handlebar 1201 is connected to the handlebar 1208 via a pivot 1207. Via a pivot 1209 this handlebar 1208 in turn holds a handlebar 1210. On this handlebar 1210 is located on a pivot 1211 an instrument receiving unit 1212 with a unit for receiving a tool in the form of an instrument holder 1213. The instrument holder 1213 holds a surgical tool 1220 as a medical instrument.
At the instrument receiving unit 1212, a handle 1214 is provided, with which an operator, not shown, can control the manipulator 1200. At the pivot joints 1207, 1209 and 1211 respectively electric motors 1215, 1216 and 1217 are arranged. The stand unit 1202 itself is located on a stand bracket 1218 and can be rotated about a vertical axis 1219 there. With the handle 1214, it is possible for an operator to move the instrument 1220 received on the instrument holder 1213 in accordance with the directions indicated by arrows 1221, 1222, 1223 and 1224. On the handlebar 1208 of the manipulator 1200 there is a bending sensor as a sensor for detecting vibrations. Optionally, bending sensors may also be provided on the other links 1201, 1210.
Angle encoders 1225, 1226, 1227 and 1228 are provided on the rotary joints of the manipulator 1200, by means of which the instantaneous position of the rotary joints is detected. The signals from the angle encoders 1225, 1226, 1227 and 1228 are fed to a control device 1229, which controls the electric motors 1215, 1216 and 1217 according to the manner for torque compensation explained with reference to FIG. 11. This allows an operator, via the handle 1214, to guide the manipulator 1200 in a force-free manner according to the directions indicated by the arrows 1221, 1222, 1223 and 1224. The signals from one or more bending sensors are supplied to respective control circuits which output current signals to the electric motors to actively suppress detected vibrations.
FIG. 13 shows schematically a comparison with FIG. 7bzw. FIG. 11 Modified circuit arrangement 1301 for controlling an electric motor 1303 in a rotary joint of the holding device of FIG. 12 designed as a manipulator.
The circuit arrangement 1301 includes a motor control unit 1302 connected to the electric motor 1303. The circuit arrangement 1301 further contains a position transmitter 1304, which supplies the engine control unit 1302 with information about the instantaneous position of the rotary joint with the electric motor 1303. According to the circuit arrangement 701 in FIG. 7, the circuit arrangement 1301 has an electronic circuit <-> memory 1305 on; in which a current control curve is stored. The current control curve carries the information required for torque compensation current for the electric motor to the respective rotary joint as a function of the pivot position. This current control curve can be stored, for example, as a mathematical function or as a value table. It can be provided, if necessary
Interpolating intermediate values by means of a suitable mathematical function. For a current pivot position, the engine control unit 1302 generates a motor control signal ME for torque compensation in the swivel with electric motor 1303.
In contrast to the circuit arrangement 701 from FIG. 7, in the case of the circuit arrangement 1301, a unit for detecting the temporal change of the pivot joint position 1306 is additionally provided. The rotational change position detection unit 1306 is connected to the position sensor 1304. It determines by temporally deriving the information supplied by the position transmitter 1304 about the pivot position, the temporal change of the pivot position. Alternatively, it is also possible, for example, to detect the temporal change of the pivot position by evaluating the motor current in the electric motor 1303 of the corresponding pivot joint.
The information of the temporal change of the hinge position 1306 is also supplied to the engine control unit 1302. There, the detected temporal change of the rotary joint position fed as a controlled variable a control loop 1307, which outputs a motor control signal MR as a control variable. The control loop 1307 is designed as a PID control loop, the setpoint value
<EMI ID = 2.1>
is specified as the value for a desired temporal change of the pivot position. It should be noted, however, that the control loop can also be constructed according to another control principle known in the art.
[0077] Due to the selected setpoint
<EMI ID = 3.1>
The motor control signal MR corresponds to a motor current in the electric motor 1303, which counteracts an adjustment of the rotary joint.
In the engine control unit 1302, the engine control signal MR outputted from the control circuit 1307 is superimposed on the engine torque control signal ME in the swivel joint with the electric motor 1303 at a given angular position.
An operator who adjusts the corresponding rotary joint with a handle 1214 shown in FIG. 12, for example, takes this counteraction of the electric motor as an adjustment resistance dependent on an adjustment speed in accordance with an inertial force.
The dependence of the Verstellwiderstands of the adjustment speed can be adjusted to a desired value, for example by selecting the time constant in the PID control loop.
When using appropriate control circuits, it is also possible in principle to assign a desired adjustment speed to a desired adjustment resistance.
Thus, for example, the circuitry 1301 allows the handle 1214 of Fig. 12 to move an instrument received on a fixture in equilibrium about a hinge without requiring an operator to generate torques corresponding to the torques resulting from a displacement of the center of mass of the recorded instrument incurred at the relevant rotary joint counteract. At the same time, when the handle is moved, the operator perceives a haptic-perceptible resistance which, for example, prevents any dithering movements of a human hand from being transmitted to the instrument received on the holding device.
In this case, non-predefinable forces and moments, such as cutting and restoring forces when cutting tissue by the user himself must be applied by an operator in the manipulator. However, this is desirable because this gives the operator concerned a real, haptic perceptible feedback without distorting external forces.
14 schematically shows a further circuit arrangement 1401 for controlling a plurality of electric motors 14031, 14032,..., 1403n, which are arranged in corresponding rotary joints of a holding device designed as a manipulator, as explained in principle already with reference to FIG has been. The circuit arrangement also includes a vibration damping control circuit, optionally also a plurality of vibration damping control circuits, which are not shown. The circuit arrangement 1401 has a motor control unit 1402, which is connected to the electric motors 14031, 14032,..., 1403n at the respective pivot joints whose pivot position is detected by position sensors 14041, 14042,..., 1404n.
According to the circuit arrangement 1101 of FIG. 11, the circuit arrangement 1101 comprises an electronic memory in which a multidimensional current control curve is stored, which provides the information of a motor current for equilibrium ME1, ME2,..., MEn for the electric motors 14031, 14032, ... , 1403n for a given position of the hinges.
In contrast to the circuit arrangement 1101 are provided in the circuit arrangement 1401 as units for detecting the change with time of the position of the respective hinges 14061, 14062, ..., 1406n, which supply the information of a temporal change of the pivot position of the engine control unit 1402.
In the motor control unit 1402, this information feeds as a controlled variable control circuits 11071, 14072 ..., 1407n, which output a motor control signal MR1, MR2,..., MRn as the manipulated variable. According to the circuit arrangement explained with reference to FIG. 13, each of the motor control signals MR1, MR2,..., MRn counteracts the adjustment of the rotary joint to which the relevant electric motor 14031, 14032,..., 1403n is associated.
In the motor control unit 1402, the motor control signals MR1, MR2, ... MRn output from the control circuits 14071, 14072,..., 1407n are output to the motor control signals ME1, ME2,..., Mn for torque compensation by the electric motors 14031, 14032,. .. superimposed.
The circuit thus allows a manipulator as a holding device with a plurality of swivel joints, which are driven with corresponding electric motors, to guide an instrument in equilibrium via a suitable handle, that is to say for an operator seemingly force-free to move without, for example, a jittery movements human hand transferred to the instrument.
A holding device designed as a manipulator, which is controlled via a circuit arrangement shown in FIG. 11, thus permits precise, jitter-free guiding of microsurgical instruments, in particular injectors, endoscopes or laparoscopes. In principle, such a manipulator can be provided in each movement axis with an electronic drive which is suitably controlled. With such a manipulator, for example, implants, permanent drugs, sensors, actuators or detectors and the like can be accurately positioned on a patient.
Such a manipulator may also carry a probe for measuring workpieces or a gripping tool. In principle, it is also possible to use a corresponding manipulator to pick up heavy instruments, objects or tools, which can then move an operator fine motor. For example, in particular heavy objects can be accurately positioned, fixed or mounted.
If a handlebar design is chosen for the manipulator, which takes into account a weight balance around corresponding hinges via a suitable mass distribution, it is possible to use comparatively weak electric motors for adjusting a torque compensation in the axes of movement of the manipulator. This can basically also allow a manual "manual operation" of the manipulator without the assistance of electric motors. In particular, only the comparatively small moments of a weak electric motor have to be overcome here.
For working with the manipulator can be provided to identify an object to be included with the manipulator, for example by barcode or by triggering a microchip and according to a known mass distribution of the recorded item then suitable motor current control curves for torque compensation in the memory of the manipulator assigned Adjust control device.
For the sake of completeness it should be noted that a corresponding workpiece or tool as an object accommodated on the manipulator can in principle also be identified via the identification principle of automatic feed devices in machine tools in the form of magazines or changers.
Compared to the classical robot technology, in which expensive sensor-actuator controls for servo operation of motor-driven robot arms must be used, the holding device described has the advantage that it requires no expensive force-moment sensors.