DE102007022120B4

DE102007022120B4 - Greifbediengerät

Info

Publication number: DE102007022120B4
Application number: DE102007022120.9A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Seibold; Dr. Weiß Holger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2027-05-12
Also published as: DE102007022120A1

Abstract

Greifbediengerät (10) für robotergestützte Anwendungen zur Betätigung eines Endeffektors (15) eines chirurgischen Roboters (14) mit zwei zueinander beweglich gelagerten Backen, wobei das Greifbediengerät (10) aufweist:
einen von den Fingern einer Chirurgen-Hand umschließbaren Ballenkörper (16),
gekennzeichnet durch,
einen an dem Ballenkörper (16) geführten und dazu beweglichen Zeigefinger-Hebel (18) zur Eingabe von Greifbewegungen des Zeigefingers eines Chirurgen,
einen Hebel-Antrieb (44) in dem Ballenkörper (16) zum Antrieb des Zeigefinger-Hebels (18), wobei über den Hebel-Antrieb (44) haptische Informationen aus dem Operationssitus an den Zeigefinger übermittelbar sind
eine mit dem Zeigefinger-Hebel (18) verbundene Positionsmesseinrichtung (50) zur Bestimmung der Position des Zeigefinger-Hebels (18) im Verhältnis zum Ballenkörper (16), und
ein zur Eingabe einer Handgelenk-Drehbewegung dienendes Rollrad (54).

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.
EP 1 253 509 A1 beschreibt einen Joystick zur Steuerung eines laparoskopischen chirurgischen Instruments. Hierbei ist ein Haken vorgesehen, der das vorderste Fingerglied des Daumens eines Benutzers umgreift. Es sind insgesamt sechs Kontakte vorgesehen, so dass durch den Joystick Bewegungen in insgesamt sechs Richtungen erfasst werden können.
DE 100 33 680 A1 beschreibt ein Befehlseingabegerät zur Befehlseingabe durch einen operierenden Chirurg an einen Roboter. Es ist ein Joystick mit vier Kontakten und zwei Freiheitsgraden vorgesehen, durch den vier Bewegungsrichtungen gebildet werden können. Die vier Kontakte sind orthogonal angeordnet.
US 4 795 296 A beschreibt ein Befehlseingabegerät zur Befehlseingabe durch einen operierenden Chirurgen an einen Roboter. Hierzu ist ein Zeigefinger-Hebel vorgesehen, dessen Position in Abhängigkeit zur Bewegung des Endeffektors des Roboters um eine Achse verschwenkt werden kann.
DE 69 700 030 T2 offenbart eine handbediente Einrichtung zur Fernsteuerung der Bewegung eines Gegenstandes in Beziehung auf eine feste Reverenz, insbesondere eines Roboters.
US 2002 / 0 175 894 A1 offenbart eine Maus für die Positionierung eines Cursors auf einem Bildschirm eines Computermonitors zur Eingabe von Instruktionen in ein Computerprogramm.
JP H11- 154 031 A offenbart einen Joystick, der geeignet ist komplizierte Operationen, welche eine dreidimensionale Wiedergabe der Bewegung erfordern.
SU 234 763 A1 offenbart ein System zur Fernsteuerung eines Aktuators.
JP 2002 - 059 380 A offenbart ein Master-Slave-System geeignet zur Erfassung einer Greifkraft des Slave-Manipulators.
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 Ballenkörpers 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 Ballenkörpers durch Hände unterschiedlicher Größe erleichtert.
Durch den Hebelantrieb werden haptische Informationen aus dem Operationssitus 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.
Erfindungsgemäß ist an dem Ballenkörper ein Rollrad zum Eingeben einer Drehbewegung vorgesehen. Hierdurch kann 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 der 1 mit freigelegtem Zeigefinger-Hebel und Hebel-Antrieb, und
3 das Greifbediengerät der 1 und 2 im Längsschnitt in schematischer Darstellung.

In den 1 bis 3 ist ein Greifbediengerät 10 für robotergestützte chirurgische Anwendungen dargestellt. Das Greifbediengerät dient in einer in der 3 dargestellten Anordnung 12 der Steuerung eines chirurgischen Roboters 14.
Das Greifbediengerät 10 weist einen rund ausgeformten Ballenkörper 16, einen aus dem Ballenkörper 16 herausragenden Zeigefinger-Hebel 18, sowie ein optisches Tracking-Element 20 auf. Das Greifbediengerät 10 ist über Daten- und Steuerleitungen 22 mit einer zentralen Steuerung 24 verbunden, die den chirurgischen Roboter 14 steuert und ferner Signale einer ortsfesten Tracking-Kamera 26 empfängt.
Das Greifbediengerät 10 wird äußerlich im Wesentlichen gebildet von einem Ballenkörper-Gehäuse 30 und einem Deckel 32, der das Tracking-Element 20 hält und eine Montageplatte 34 verschließt. An dem Gehäuse 30 sind mehrere Griffmulden 31 vorgesehen, in die Finger bzw. Fingerkuppen der Hand des Bedieners, bzw. des Chirurgen gelegt werden können.
Auf der Montageplatte 34 ist ein Zeigefinder-Hebel 18 linear beweglich angeordnet. Der Zeigefinger-Hebel 18 wird im Wesentlichen gebildet von einer Schubstange 36 und einer Zeigefinger-Schlaufe 38.
Der Hebel-Antrieb 44 wird im Wesentlichen gebildet von einem Elektromotor 45, einer Antriebswelle 43, einer Antriebsrolle 42 und einem Seilzug 40. Der Seilzug 40 ist an einem Seilzugende durch eine Spannvorrichtung 46 an dem schlaufenabgewandten Ende spannbar fixiert.
Die Schubstange 36 wird über den vorgespannten Seilzug 40 angetrieben, der seinerseits einfach oder mehrfach um die Antriebsrolle 42 gewickelt ist, die wiederum von dem Elektromotor angetrieben wird. Der Elektromotor 45 ist rückseitig der Montageplatte 34 angeordnet, also innerhalb des Ballenkörper-Gehäuses 30.
Dem Antrieb 44 ist als Positionsmesseinrichtung 50 ein Encoder zugeordnet, der die rotatorische Lage der Rotorwelle 43 und damit auch die Position des Zeigefinger-Hebels 18 an die Steuerung 24 ausgibt.
Auf der Montageplatte 34 ist ferner ein Rollrad 54 montiert, dessen Radscheibe 56 in einem Sektor von ungefähr 70° durch eine entsprechende Gehäuse-Öffnung 60 nach außen herausragt. Das Rollrad 54 und der Zeigefinger-Hebel 18 bzw. die Zeigefinger-Schlaufe 38 liegen ungefähr in einer Querebene.
Dem Rollrad 54 ist rückseitig der Montageplatte 34 ein Encoder 58 zugeordnet, der Rotationen des Rollrades an die Steuerung 24 ausgibt.
Beim Betrieb bzw. bei der Nutzung des Greifbediengerätes steckt der Bediener bzw. der Chirurg den Zeigefinger 11 in die Zeigefingerschlaufe 38 des Zeigefinger-Hebels 18. Mit den übrigen Fingern der selben Hand wird das Gehäuse 30 umfasst, wobei die Fingerkuppen in die entsprechenden Mulden 31 gelegt werden können.
Durch Adduktion und Abduktion des Zeigefingers 11 wird ein entsprechender Endeffektor 15 des chirurgischen Roboters 14 geschlossen bzw. geöffnet. Durch den Antrieb 44 werden dem Zeigefinger-Hebel 18 entsprechende Kräfte, insbesondere der Fingerbewegung entgegenwirkende Kräfte generiert, die am Endeffektor 15 ermittelt werden.
Ferner werden durch den von der Steuerung 24 gesteuerten Antrieb 44 Kraftstöße generiert, so dass der Zeigefinger-Hebel 18 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 Endeffektor 15 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-Kamera 26 ermittelt, die das Tracking-Element 20 des Greifbediengerätes 10 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 Rollrad 54 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 Endeffektor 15 des chirurgischen Roboters 14 um seine Längsachse auch in weiten Bereichen gedreht werden kann.
Das Greifbediengerät 10 weist zur Betätigung des Endeffektors 15 des chirurgischen Roboters 14 nur einen einzigen Freiheitsgrad in Form des Zeigefinger-Hebels 18 auf und ist daher einfach und kompakt aufgebaut. Dennoch lässt sich mit diesem Greifgerät 10 der größte Teil an üblichen chirurgischen Robotern bzw. an Endeffektoren derartiger Roboter steuern.

Claims

Greifbediengerät (10) für robotergestützte Anwendungen zur Betätigung eines Endeffektors (15) eines chirurgischen Roboters (14) mit zwei zueinander beweglich gelagerten Backen, wobei das Greifbediengerät (10) aufweist: einen von den Fingern einer Chirurgen-Hand umschließbaren Ballenkörper (16), gekennzeichnet durch, einen an dem Ballenkörper (16) geführten und dazu beweglichen Zeigefinger-Hebel (18) zur Eingabe von Greifbewegungen des Zeigefingers eines Chirurgen, einen Hebel-Antrieb (44) in dem Ballenkörper (16) zum Antrieb des Zeigefinger-Hebels (18), wobei über den Hebel-Antrieb (44) haptische Informationen aus dem Operationssitus an den Zeigefinger übermittelbar sind eine mit dem Zeigefinger-Hebel (18) verbundene Positionsmesseinrichtung (50) zur Bestimmung der Position des Zeigefinger-Hebels (18) im Verhältnis zum Ballenkörper (16), und ein zur Eingabe einer Handgelenk-Drehbewegung dienendes Rollrad (54).
Greifbediengerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ballenkörper (16) ein optisches Trackingelement (20) zugeordnet ist, das durch eine Trackingkamera (26) erfasst wird und der Bestimmung der Position und/oder der Lage des Ballenkörpers (16) im Raum dient.
Greifbediengerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Zeigefinger-Hebel (18) eine Zeigefinger-Schlaufe (38) vorgesehen ist.
Greifbediengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel-Antrieb (44) bidirektional ausgebildet ist.
Greifbediengerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel-Antrieb (44) zusammen mit dem Zeigefinger-Hebel (18) als Hinweisgeber zur haptischen Übermittlung von Signalen an den Zeigefinger dient.
Greifbediengerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.