DE102007022120A1 - Greifbediengerät - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Greifbediengerät (10) für robotergestützte Anwendungen. Das Greifbediengerät (10) weist einen von den Fingern einer Chirurgen-Hand umschließbaren Ballenkörper (16) und einen an dem Ballenkörper (16) geführten und dazu beweglichen Zeigefinger-Hebel (18) auf. In dem Ballenkörper (16) ist ein Hebel-Antrieb (44) vorgesehen, durch den der Zeigefinger-Hebel (18) angetrieben wird bzw. mit einer Gegenkraft beaufschlagt werden kann. Ein Encoder (50) ist dem Hebelantrieb (44) zugeordnet und dient der Bestimmung der Position des Zeigefinger-Hebels (18) im Verhältnis zum Ballenkörper (16). Das Greifbediengerät ist mechanisch einfach aufgebaut und kompakt. Mit dem Greifbediengerät (10) lassen sich die meisten Endeffektoren entsprechender chirurgischer Roboter steuern.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Greifbediengerät für robotergestützte Anwendungen, bevorzugt für chirurgische Anwendungen.
- In der robotergestützten minimal-invasiven Chirurgie wird das chirurgische Instrument in der Regel nicht vom Chirurgen direkt gehalten und bedient, sondern das chirurgische Instrument wird von einem am Operationstisch befindlichen Roboter geführt, der über Steuersignale gesteuert wird, die von einem Greifbediengerät generiert werden, das wiederum durch die Hand des Chirurgen mechanisch bedient wird. Bei Greifbediengeräten für chirurgische Anwendungen ist eine Rückkopplung der am Opertationssitus auftretenden Manipulationskräfte- und Momente, also der sogenannten Manipulationslasten, wünschenswert.
- Aus dem Stand der Technik sind Greifbediengeräte für robotergestützte chirurgische Anwendungen bekannt, die hochkomplex und damit empfindlich und aufwendig sind.
- Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, ein einfach aufgebautes und handhabbares Greifbediengerät für robotergestützte chirurgische Anwendungen zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
- Das erfindungsgemäße Greifbediengerät weist einen von allen Fingern der Chirurgen-Hand umschließbaren Ballenkörper auf. An dem Ballenkörper ist ein geführter und zu dem Ballenkörper beweglicher Zeigefinger-Hebel vorgesehen. Über den Zeigefinger-Hebel werden durch den Zeigefinger Greifbewegungen des sogenannten Präzisionsgriffes, der im Wesentlichen von den Daumen und dem Zeigefinger vollzogen wird, eingegeben. Zur Bestimmung der Hebelposition im Verhältnis zum Ballenkörper ist eine Positionsmesseinrichtung vorgesehen, die die absolute Position des Zeigefinger-Hebels im Verhältnis zum Ballenkörper ausgibt. Die Positionsmesseinrichtung kann beispielsweise als Encoder ausgebildet sein. Ferner ist ein Hebel-Antrieb in dem Ballenkörper zum Antrieb des Zeigefinger-Hebels vorgesehen. Hiermit können auf den Zeigefinger-Hebel wirkende variable Kräfte generiert werden.
- Ein Großteil der minimal-invasiven chirurgischen Prozeduren wird mit einer geringen Anzahl von chirurgischen Standardinstrumenten durchgeführt, nämlich Zangen, Scheren, Nadelhaltern, Clip-Applikatoren und HF-Coagulatoren. Unabhängig von ihrer Funktion, nämlich Greifen, Schneiden, Quetschen, Coagulieren etc., weisen diese Standard-Instrumente eine oder zwei zueinander beweglich gelagerte Backen auf. Diese Kinematik wird durch das Greifbediengerät mit einem von der Hand umschlossenen Ballenkörper und einem daran beweglichen Zeigefinger-Hebel auf einfache Weise wiedergegeben. Das derart gestaltete Greifbediengerät ist ein ergonomisches, generisches Model für die meisten chirurgischen Standardinstrumente. Der Ballenkörper kann eine beliebige Form annehmen, die praktisch nicht durch technische Zwänge beschränkt ist. Die Form des Gallenkörpers kann also praktisch ausschließlich von ergonomischen Gesichtspunkten bestimmt werden. Die Greifbewegung des Präzisionsgriffes kann mit ausreichender Genauigkeit und Wirklichkeitsnähe durch einen einzigen Zeigefinger-Hebel aufgenommen und wiedergegeben werden.
- Bei der menschlichen Greifbewegung im Präzisionsgriff haben das Handgelenk und der Daumen einen vernachlässigbaren Anteil an der Greifbewegung. Beim Präzisionsgriff zwischen dem Daumen und dem Zeigefinger kommt die Bewegung zum allergrößten Teil aus dem Zeigefinger-Basisgelenk. Daher ist das vorliegende Greifbediengerät, das lediglich einen einzigen Hebel für einen einzigen Finger, nämlich den Zeigefinger, vorsieht, in hohem Maße ergonomisch. Durch den einfachen mechanischen Aufbau und geringen mechanischen Aufwand ist das Greifbediengerät äußerst kompakt und tatsächlich von der Größe her im Wesentlichen auf den Ballenkörper beschränkt, der maximal Tennisballgröße hat, in seiner Größe jedoch für verschiedene Handgrößen zur Verfügung gestellt werden kann. Zur Erhöhung der Ergonomie kann der Ballenkörper ein austauschbares Ballenkörper-Gehäuse aufweisen. Das Ballenkörper-Gehäuse kann individuell für jeden Benutzer angefertigt werden.
- Die Grundform des Ballenkörper-Gehäuses ist jedoch ungefähr kugelförmig, so dass das Greifbediengerät relativ frei zwischen den Fingern der Chirurgen-Hand positioniert werden kann. Durch gelegentliches Umgreifen kann einem Verkrampfen der Chirurgen-Hand während einer lang andauernden Operation vorgebeugt werden. Durch eine kugelartige Grundform ist auch das Ergreifen des Gallenkörpers durch Hände unterschiedlicher Größe erleichtert.
- Durch den Hebelantrieb werden haptische Informationen aus dem Informationssitus auch über einen haptischen Kanal vermittelt. Haptische Informationen werden vom Menschen am schnellsten und mit dem geringsten Aufwand an Aufmerksamkeit verarbeitet. Daher ist die Rückkopplung von Informationen, insbesondere von Kräften aus dem Operationssitus über den haptischen Kanal direkt an den Zeigefinger besonders vorteilhaft.
- Das Greifbediengerät ist vorzugsweise für chirurgische robotergestützte Anwendungen geeignet. Es kann jedoch grundsätzlich auch für virtuelle Anwendungen eingesetzt werden.
- Vorzugsweise ist an dem Ballenkörper ein Rollrad zum Eingeben einer Drehbewegung vorgesehen. Insbesondere kann hierdurch eine Drehbewegung des Handgelenkes eingegeben werden. Mit dem Rollrad kann eine Drehbewegung des Greifbediengerätes durch eine Drehung des Handgelenkes angeordnet werden, ohne dass hierzu der Ballenkörper in der Hand des Chirurgen gedreht werden muss. Nur hierdurch ist es möglich, größere Drehwebungen des chirurgischen Instrumentes überhaupt zuzulassen, da ein Umgreifen des Ballenkörpers wegen des an dem Zeigefinger-Hebel platzierten Zeigefingers prinzipbedingt nicht möglich ist.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist dem Ballenkörper ein Trackingelement zugeordnet, das der Bestimmung der Position und/oder der Lage des Ballenkörpers im Raum dient. Mit Hilfe des Trackingelementes kann die Lage des Ballenkörpers im Raum in bis zu sechs Freiheitsgraden bestimmt werden. Die Bestimmung der Lage und/oder der Position kann optisch, magnetisch oder mechanisch erfolgen.
- Vorzugsweise ist an dem Zeigefinger-Hebel eine Zeigefinger-Schlaufe vorgesehen. Auf diese Weise wird es möglich, dass mit dem Zeigefinger sowohl proximale als auch distale Bewegungen auf den Zeigefinger-Hebel übertragen werden können. Der Zeigefinger ist beispielsweise mit einem Klettband mit dem Zeigefinger-Hebel verbunden oder ist in eine entsprechende Fingerkappe des Zeigefinger-Hebels eingesteckt.
- Mit dem Greifbediengerät können dadurch auch Spreizbewegungen ausgeführt werden, beispielsweise das aktive Öffnen des chirurgischen Instrumentes zum Aufspreizen des Gewebes etc.. Der Antrieb ist hierzu bevorzugt bidirektional ausgebildet, das heißt, es können sowohl in proximaler Richtung als auch in distaler Richtung entsprechende Kräfte und Gegenkräfte über den Zeigefinger-Hebel auf den Zeigefinger übertragen werden.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Hinweisgeber vorgesehen, der u. a. von dem Hebel-Antrieb und dem Zeigefinger-Hebel gebildet wird. Neben der Greifkraft oder entsprechenden Gegenkräfte aus dem Operationssitus können durch den Hinweisgeber auch weitere abstrakte Signale haptsich übermittelt werden, beispielsweise Warnsignale über Grenzkraft-Überschreitungen, Kontakt zwischen dem chirurgischen Instrument und dem Gewebe, Betrag der Summe aller Manipulationslasten etc.. Als Hinweisformen können beispielsweise Vibrationen oder einzelne Kraftpulse durch den Hebel-Antrieb an dem Zeigefinger-Hebel generiert werden.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Antrieb u. a. von einem Elektromotor und einem vorgespannten Seilzug gebildet, der den als Schubstange ausgebildeten Zeigefinger-Hebel antreibt. Der Seilzug ist beispielweise einfach oder mehrfach um ein Antriebsrad des Elektromotors gewickelt. Der Seilzug ist eine einfache Möglichkeit der mechanischen Kopplung, die bei entsprechender Vorspannung des Seilzuges ein hohes Maß an Spielfreiheit sicherstellt.
- Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 ein Greifbediengerät für robotergestützte chirurgische Anwendungen in perspektivischer Darstellung, -
2 das Greifbediengerät der1 mit freigelegtem Zeigefinger-Hebel und Hebel-Antrieb, und -
3 das Greifbediengerät der1 und2 im Längsschnitt in schematischer Darstellung. - In den
1 bis3 ist ein Greifbediengerät10 für robotergestützte chirurgische Anwendungen dargestellt. Das Greifbediengerät dient in einer in der3 dargestellten Anordnung12 der Steuerung eines chirurgischen Roboters14 . - Das Greifbediengerät
10 weist einen rund ausgeformten Ballenkörper16 , einen aus dem Ballenkörper16 herausragenden Zeigefinger-Hebel18 , sowie ein optisches Tracking-Element20 auf. Das Greifbediengerät10 ist über Daten- und Steuerleitungen22 mit einer zentralen Steuerung24 verbunden, die den chirurgischen Roboter14 steuert und ferner Signale einer ortsfesten Tracking-Kamera26 empfängt. - Das Greifbediengerät
10 wird äußerlich im Wesentlichen gebildet von einem Ballenkörper-Gehäuse30 und einem Deckel32 , der das Tracking-Element20 hält und eine Montageplatte34 verschließt. An dem Gehäuse30 sind mehrere Griffmulden31 vorgesehen, in die Finger bzw. Fingerkuppen der Hand des Bedieners, bzw. des Chirurgen gelegt werden können. - Auf der Montageplatte
34 ist ein Zeigefinder-Hebel18 linear beweglich angeordnet. Der Zeigefinger-Hebel18 wird im Wesentlichen gebildet von einer Schubstange36 und einer Zeigefinger-Schlaufe38 . - Der Hebel-Antrieb
44 wird im Wesentlichen gebildet von einem Elektromotor45 , einer Antriebswelle43 , einer Antriebsrolle42 und einem Seilzug40 . Der Seilzug40 ist an einem Seilzugende durch eine Spannvorrichtung46 an dem schlaufenabgewandten Ende spannbar fixiert. - Die Schubstange
36 wird über den vorgespannten Seilzug40 angetrieben, der seinerseits einfach oder mehrfach um die Antriebsrolle42 gewickelt ist, die wiederum von dem Elektromotor angetrieben wird. Der Elektromotor45 ist rückseitig der Montageplatte34 angeordnet, also innerhalb des Ballenkörper-Gehäuses30 . - Dem Antrieb
44 ist als Positionsmesseinrichtung50 ein Encoder zugeordnet, der die rotatorische Lage der Rotorwelle43 und damit auch die Position des Zeigefinger-Hebels18 an die Steuerung24 ausgibt. - Auf der Montageplatte
34 ist ferner ein Rollrad54 montiert, dessen Radscheibe56 in einem Sektor von ungefähr 70° durch eine entsprechende Gehäuse-Öffnung60 nach außen herausragt. Das Rollrad54 und der Zeigefinger-Hebel18 bzw. die Zeigefinger-Schlaufe38 liegen ungefähr in einer Querebene. - Dem Rollrad
54 ist rückseitig der Montageplatte34 ein Encoder58 zugeordnet, der Rotationen des Rollrades an die Steuerung24 ausgibt. - Beim Betrieb bzw. bei der Nutzung des Greifbediengerätes steckt der Bediener bzw. der Chirurg den Zeigefinger
11 in die Zeigefingerschlaufe38 des Zeigefinger-Hebels18 . Mit den übrigen Fingern der selben Hand wird das Gehäuse30 umfasst, wobei die Fingerkuppen in die entsprechenden Mulden31 gelegt werden können. - Durch Adduktion und Abduktion des Zeigefingers
11 wird ein entsprechender Endeffektor15 des chirurgischen Roboters14 geschlossen bzw. geöffnet. Durch den Antrieb44 werden dem Zeigefinger-Hebel18 entsprechende Kräfte, insbesondere der Fingerbewegung entgegenwirkende Kräfte generiert, die am Endeffektor15 ermittelt werden. - Ferner werden durch den von der Steuerung
24 gesteuerten Antrieb44 Kraftstöße generiert, so dass der Zeigefinger-Hebel18 auch als Hinweisgeber dient. Auf diese Weise können haptische Hinweise auf verschiedene Ereignisse gegeben werden, beispielsweise auf zu hohe Kräfte, die Gefahr einer Gewebeschädigung, Kontakt zwischen dem Endeffektor15 und Gewebe, Überschreitung einer zulässigen Gesamtkraft durch alle Manipulationskräfte etc.. Die Hinweise können auch in Form von Vibrationen erfolgen. - Die Pose des Greifbediengerätes
10 im Raum, dass heißt seine Position und seine rotatorische Lage, werden mit Hilfe der Tracking-Kamera26 ermittelt, die das Tracking-Element20 des Greifbediengerätes10 erfasst und seine Position und rotarische Lage im Raum bestimmt. - Zum Drehen des Endeffektors
15 um seine Längsachse kann der Benutzer bzw. der Chirurg das Rollrad54 mit einem der übrigen Finger betätigen. Dies hat den Vorteil, dass die rotatorische Position bezogen auf eine Längsachse des Greifbediengerätes in einer bequemen ergonomischen Position verbleiben kann, und trotzdem der Endeffektor15 des chirurgischen Roboters14 um seine Längsachse auch in weiten Bereichen gedreht werden kann. - Das Greifbediengerät
10 weist zur Betätigung des Endeffektors15 des chirurgischen Roboters14 nur einen einzigen Freiheitsgrad in Form des Zeigefinger-Hebels18 auf und ist daher einfach und kompakt aufgebaut. Dennoch lässt sich mit diesem Greifgerät10 der größte Teil an üblichen chirurgischen Robotern bzw. an Endeffektoren derartiger Roboter steuern.
Claims (7)
- Greifbediengerät (
10 ) für robotergestützte Anwendungen, mit einem von den Fingern einer Chirurgen-Hand umschließbaren Ballenkörper (16 ), einem an dem Ballenkörper (16 ) geführten und dazu beweglichen Zeigefinger-Hebel (18 ), einem Hebel-Antrieb (44 ) in den Ballenkörper (16 ) zum Antrieb des Zeigefinger-Hebels (18 ), und einer Positionsmesseinrichtung (50 ) zur Bestimmung der Position des Zeigefinger-Hebels (18 ) im Verhältnis zum Ballenkörper (16 ). - Greifbediengerät (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ballenkörper (16 ) ein zum Eingeben einer Handgelenk-Drehbewegung dienendes Rollrad (54 ) vorgesehen ist. - Greifbediengerät (
10 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ballenkörper (16 ) ein Trackingelement (20 ) zugeordnet ist, das der Bestimmung der Position und/oder der Lage des Ballenkörpers (16 ) im Raum dient. - Greifbediengerät (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Zeigefinger-Hebel (18 ) eine Zeigefinger-Schlaufe (38 ) vorgesehen ist. - Greifbediengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel-Antrieb (
44 ) bidirektional ausgebildet ist. - Greifbediengerät (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel-Antrieb (44 ) zusammen mit dem Zeigefinger-Hebel (18 ) als Hinweisgeber dient. - Greifbediengerät (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (44 ) einen Elektromotor (45 ) und einen vorgespannten Seilzug (40 ) aufweist, der den als Schubstange (36 ) ausgebildeten Zeigefinger-Hebel (18 ) antreibt.
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