DE102007022122A1

DE102007022122A1 - Chirurgie-Roboter-Anordnung

Info

Publication number: DE102007022122A1
Application number: DE102007022122A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Seibold
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: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-05-12
Also published as: DE102007022122B4; US7988215B2; US20080276746A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Chirurgie-Roboter-Anordnung (10) mit einem Roboterarm (12), einem daran beweglich befestigten Endeffektor (14) mit einem beweglichen Endeffektor-Element (24, 25), das durch einen Aktuator angetrieben wird, und einem Kraftsensor (16) zwischen dem Roboterarm (12) und dem Endeffektor (14). Der Aktuator wird erfindungsgemäß durch einen Hydraulikzylinder (20) gebildet. Der Roboterarm (12) weist eine Hydraulikleitung (36) auf, die mit dem Hydraulikzylinder (20) des Endeffektors (14) verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Chirurgie-Roboter-Anordnung mit einem Roboterarm und einem daran befestigten Endeffektor.
Chirurgie-Roboter werden in der minimal-invasisven Chirurgie als chirurgische Instrumente eingesetzt, um beispielsweise Greif- oder Schneidvorgänge im Patientenkörper auszuführen. Hierzu weist die Chirurgie-Roboter-Anordnung einen Roboterarm und am Ende des Roboterarmes einen Endeffektor mit einem beweglichen Endeffektor-Element auf. Das Endeffektor-Element kann beispielsweise eine Zange oder eine Schere sein. An dem Endeffektor ist zum Bewegen des Endeffektor-Elementes, beispielsweise eines Zangenarmes, ein Aktuator vorgesehen.
Zwischen dem Endeffektor und dem Roboterarm ist ein Kraftsensor angeordnet, der der Bestimmung der von außen auf den Endeffektor wirkenden Kräfte dient, insbesondere der Greifkräfte und der Kontaktkräfte. Greifkräfte sind die Kräfte, die beim Greifen eines Objektes durch den Endeffektor entstehen, das nicht mit seiner Umgebung in Kontakt steht. Kontaktkräfte sind die Kräfte, die durch den Kontakt des Endeffektors oder eines ergriffenen Objektes mit der Umgebung entstehen.
Mit dem Kraftsensor zwischen dem Roboterarm und dem Endeffektor können die Kontaktkräfte ermittelt werden, die durch mittelbaren oder unmittelbaren Kontakt des Endeffektors mit seiner Umgebung entstehen. Die Greifkräfte können durch Ermittlung der durch den Aktuator ausgeübten Schließ- bzw. Greifkräfte ermittelt werden.
Minimal-invasive Chirurgie-Roboter-Anordnungen sind jedenfalls in ihrem invasiven Teil mechanisch stark miniaturisiert. Bei den bekannten Chirurgie-Roboter-Anordnungen werden als Aktuatoren Bowdenzüge verwendet. Die Bowdenzüge müsse mitunter erhebliche Zug- und Schubkräfte übertragen. Die durch die Bowdenzüge übertragenen Antriebskräfte überlagern auch bei geschickter Konstruktion jedenfalls teilweise die Kontaktkräfte. Dieser Effekt ist unter anderem dadurch bedingt, dass sich der Mantel des Bowdenzuges bei Auftreten axialer Zug- oder Druckkräfte zwangsläufig dehnt oder verkürzt, wodurch die Einleitung unerwünschter Antriebskräfte auf den Endeffektor unvermeidlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, einen Chirurgie-Roboter-Anordnung mit verbesserter Kontaktkraft-Ermittlung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Chirurgie-Roboter-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Die erfindungsgemäße Chirurgie-Roboter-Anordnung weist einen Endeffektor mit einem beweglichen Endeffektor-Element auf, das durch einen Aktuator angetrieben wird. Zwischen dem Roboterarm und dem Endeffektor ist ein Kraftsensor angeordnet. Der Aktuator in dem Endeffektor wird durch einen Hydraulik-Zylinder gebildet, der das Endeffektor-Element antreibt. Der Roboterarm weist eine Hydraulikleitung auf, die mit dem Hydraulikzylinder verbunden ist.
Der Endeffektor wird also nicht durch einen oder mehrere Bowdenzüge angetrieben, sondern wird hydraulisch angetrieben. Ein hydraulischer Antrieb ist praktisch reibungsfrei, so dass bei einer Kraftmessung durch den Kraftsensor störenden Reibungskräfte nicht auftreten. Die Hydraulikleitung kann ohne nennenswerte Nachteile in engen Radien oder in Endkopplungs-Schleifen geführt werden. Beispielsweise kann die freie Länge der Hydraulikleitung zwischen dem Roboterarm und dem Endeffektor so groß gemacht werden, dass durch den Hydraulikleitungs-Mantel nur vernachlässigbar geringe Kräfte zwischen dem Roboterarm und dem Endeffektor übertragen werden. Die freie Länge der Hydraulikleitung zwischen dem Roboterarm und dem Endeffektor beträgt vorzugsweise mindestens 2,0 mm. Unter der freien Länge der Hydraulikleitung ist die Länge zu verstehen, auf der die Hydraulikleitung zwischen dem Roboterarm und dem Endeffektor weder radial noch axial fixiert ist.
Die hydraulische Auslegung des Aktuators bietet mit einfachen konstruktiven Mitteln die Möglichkeit eine sehr hohe Untersetzung von 1:10 bis zu mehr als 1:100 zu realisieren. Es lassen sich also hohe Untersetzungen mit einer sehr einfachen kompakten Konstruktion in dem Endeffektor realisieren. Trotz hoher Kräfte, die auf diese Weise auf das betreffende Endeffektor-Element übertragen werden können, ist der hierzu erforderliche Hydraulikdruck in der Hydraulikleitung verhältnismäßig klein. Die Hydraulikleitung wird also bei hohen Zug- oder Druckkräften, die der Hydraulikzylinder auf das Endeffektor-Element überträgt, nur geringen Längenänderungen ausgesetzt.
Vorzugsweise beträgt die Querschnittsfläche des Hydraulik-Zylinders mindestens das zehnfache der Querschnittsfläche der Hydraulikleitung. Die Untersetzung beträgt also mindestens 1:10. Die Axialkräfte in dem Hydraulikleitungs-Mantel betragen also höchstens ein Zehntel der von dem Hydraulikzylinder auf das Endeffektor-Element übertragenen Antriebskraft. Je größer die Untersetzung ist, je kleiner also die Querschnittsfläche der Hydraulikleitung im Verhältnis zu der Querschnittsfläche des Hydraulikzylinders ist, desto besser ist die mechanische Entkopplung.
Zwar lässt sich eine vollständige mechanische Endkopplung auch mit einem hydraulischen Antrieb nicht realisieren, jedoch werden die Kräfte im Verhältnis der Querschnittsflächen so stark reduziert, dass die auf den Kraftsensor wirkenden Antriebskräfte zur Erzeugung einer auf das Endeffektor-Element wirkenden Aktuator-Kraft so reduziert sind, dass die Störkräfte im Verhältnis zu den Kontaktkräften gering sind und darüber hinaus wegen der bekannten mechanischen Zusammenhänge rechnerisch kompensiert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Hydraulikzylinder durch einen geschlossenen Metall-Faltenbalg gebildet. Die Dichtungen in Hydraulikzylindern müssen sowohl leichtgängig als auch absolut dicht gegen Leckage sein. Derartige Dichtungen werden durch den in der Humanmedizin notwendigen Sterilisationsvorgang auf Dauer geschädigt, so dass ihre Funktion nicht dauerhaft gewährleistet werden kann. Ein geschlossener Metall-Faltenbalg als Hydraulikzylinder erfordert keinerlei Dichtungen und schließt den Fluidraum zuverlässig hermetisch gegen die Umgebung ab.
Vorzugsweise ist das Hydraulikfluid eine isotonische sterile Salzlösung. Auch im Falle einer Leckage des Hydraulikzylinders oder der Hydraulikleitung besteht durch auslaufendes Hydraulikfluid keine Gefährdung für den Patienten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung hat der Hydraulikzylinder zwei symmetrisch angeordnete und angetriebene Endeffektor-Elemente, die beispielsweise einen zangenartigen Greifer bilden. Vorzugsweise ist der Hydraulikzylinder derart mit dem oder den Endeffektor-Elementen mechanisch gekoppelt, dass bei einer Zylinder-Expansion, d. h. beim Pumpen von Hydraulikfluid in den Hydraulikzylinder, eine Schließ- oder Greifbewegung vollzogen wird.
Vorzugsweise ist der Kraftsensor als Kraft-Momenten- Sensor mit bis zu sechs Freiheitsgraden ausgebildet.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer Chirurgie-Roboter-Anordnung mit zwei Endeffektor-Elementen, die bei einer Expansion des Hydraulikzylinders eine Schließbewegung vollziehen, und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Chirurgie-Roboter-Anordnung, bei der die beiden Endeffektor-Elemente bei einer Expansion des Hydraulikzylinders eine Öffnungsbewegung ausführen.
In den 1 und 2 ist jeweils eine Chirurgie-Roboter-Anordnung 10, 10' dargestellt, die Teil eines Chirurgie-Roboters für die minimal invasive Chirurgie ist. Die dargestellte Chirurgie-Roboter-Anordnung 10, 10' weist jeweils einen beweglichen Roboterarm 12 und einen an dem Roboterarm 12 beweglich befestigten Endeffektor 14 auf. Der Endeffektor 14 ist durch einen Kraftsensor 16, der als sechsachsiger Kraft-Momenten- Sensor ausgebildet ist, an dem Roboterarm 12 befestigt.
Der Endeffektor 14 weist einen Hydraulikzylinder 20, ein Gehäuse 22, zwei schwenkbare Endeffektor-Element 24, 25 und diesen jeweils zugeordnete Zahnstangengetriebe 26, 27 ; 26', 27' auf. Der Aussendruchmesser des Endeffektors 14 beträgt 5 bis 15 mm.
Der Hydraulikzylinder 20 wird von einem Metall-Faltenbalg 30, einem Verschluss-Kolben 32 und einer Hydraulikleitungs-Öffnung 34 der Hydraulikleitung 36 gebildet. Die Hydraulikleitung 36 hat eine innere Querschnittsfläche von ungefähr 0,2 mm². Der Faltenbalg 30, bzw. der Hydraulikzylinder 20, hat eine effektive Querschnittsfläche von ungefähr 19 mm².
Die Hydraulikleitung 36 ist einerseits an dem distalen Ende des Endeffektors 14 und andererseits an dem distalen Ende eines in den Faltenbalg 30 weit hineinragenden Stempels 38 fixiert. Der Stempel 38 weist zwischen den Fixierungen über eine axiale Länge von ungefähr 5 mm eine erweiterte Bohrung 40 auf, deren Innendurchmesser größer als der Aussendruchmesser der Hydraulikleitung 36 ist. Auf diese Weise hat die Hydraulikleitung 36 in dem Endeffektor 14 eine freie Länge von ungefähr 5 mm, auf der sie weder axial noch radial fixiert ist.
Als Hydraulikfluid 35 dient ein isotonische sterile Salzlösung. Wird Hydraulikfluid 35 durch eine entsprechende extrakorporal aufgestellte Pumpe in die Hydraulikleitung 36 gepumpt, expandiert der Hydraulikzylinder 20 entsprechend, wodurch der Verschluss-Kolben 32 in distaler Richtung bewegt wird. Durch die Zahnstangengetriebe 26, 27 werden bei der Anordnung der 1 die als zangenartige Greifer ausgebildeten Endeffektor-Elemente 24, 25 geschlossen.
Auf den Kraftsensor 16 wirken im Wesentlichen Kontaktkräfte, die durch Kontakt des Endeffektors 14 mit seiner Umgebung auf diesen wirken. Greifkräfte können mit hoher Genauigkeit durch Messung des Hydraulikdruckes ermittelt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Chirurgie-Roboter-Anordnung 10' der 2 ist im Unterschied zu der 1 das Zahnstangengetriebe 26', 27' umgekehrt wirkend ausgebildet, so dass bei Expansion des Hydraulikzylinders 20 die betreffenden Endeffektor-Elemente 24', 25' eine Öffnungsbewegung ausführen.

Claims

Chirurgie-Roboter-Anordnung (10) mit einem Roboterarm (12), einem beweglich an dem Roboterarm (12) befestigten Endeffektor (14) mit einem beweglichen Endeffektor-Element (24, 25), das durch einen Aktuator angetrieben wird, und einem Kraftsensor (16) zwischen dem Roboterarm (12) und dem Endeffektor (14), wobei der Aktuator durch einen Hydraulikzylinder (20) gebildet wird, und der Roboterarm (12) eine Hydraulikleitung (36) aufweist, die mit dem Hydraulikzylinder (20) verbunden ist.
Chirurgie-Roboter-Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Länge der Hydraulikleitung (36) zwischen dem Roboterarm (12) und dem Endeffektor (14) mindestens 2,0 mm beträgt.
Chirurgie-Roboter-Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Hydraulikzylinders (20) mindestens das zehnfache der Querschnittsfläche der Hydraulikleitung (36) beträgt.
Chirurgie-Roboter-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (20) von einem geschlossenen Faltenbalg (30) gebildet wird.
Chirurgie-Roboter-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikfluid (35) eine Salzlösung ist.
Chirurgie-Roboter-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (16) als Kraft-Momenten-Sensor ausgebildet ist.
Chirurgie-Roboter-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (20) symmetrisch zwei Endeffektor-Elemente (24, 25) antreibt, die einen zangenartigen Greifer bilden.
Chirurgie-Roboter-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung des Hydraulikzylinders (20) mit dem Endeffektor-Element (24, 25) derart ausgebildet ist, dass bei Expansion des Hydraulikzylinders (20) eine Schließbewegung des Endeffektor-Elementes (24, 25) erfolgt.