DE102008041867B4

DE102008041867B4 - Medizinischer Arbeitsplatz und Bedienvorrichtung zum manuellen Bewegen eines Roboterarms

Info

Publication number: DE102008041867B4
Application number: DE102008041867.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Ortmaier
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; KUKA Roboter GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2028-09-09
Also published as: US20110282493A1; WO2010025943A1; DE102008041867A1; US8649905B2; EP2326275B1; EP2326275A1

Abstract

Bedienvorrichtung zum manuellen Bewegen eines Roboterarms, aufweisend – eine Steuerungsvorrichtung (5), die eingerichtet ist, zum Steuern einer Bewegung wenigstes eines zum Behandeln eines Lebewesens (P) vorgesehenen Roboterarms (M1–M3) vorgesehene Signale zu erzeugen, und – wenigstens eine mit der Steuerungsvorrichtung (5) gekoppelte manuelle mechanische Eingabevorrichtung (E1–E3), die eine Achse (21), einen drehbar um die Achse (21) und/oder längs der Achse (21) verschiebbar gelagerten Hebel (24) und einen Elektromotor (27) aufweist, wobei die Steuerungsvorrichtung (5) die Signale aufgrund eines manuellen Bewegens des Hebels (24) der Eingabevorrichtung (E1–E3) erzeugt, so dass der Roboterarm (M1–M3) eine der manuellen Bewegung entsprechenden Bewegung durchführt, wobei der Elektromotor (27) eingerichtet ist, bei einem manuellen Bewegen des Hebels (24) der Eingabeeinrichtung (E1, E2) eine Kraft und/oder ein Drehmoment zum zumindest teilweisen Unterdrücken einer durch einen Tremor der die Eingabevorrichtung (E1, E2) bedienenden Person resultierenden Teilbewegung zu erzeugen, indem der Elektromotor (27) bei einer manuellen Bewegung des Hebels (24) längs der Achse (21) die dieser manuellen Bewegung entgegen gerichtete Kraft auf den Hebel (24) und/oder bei einer manuellen Bewegung des Hebels (24) um die Achse (21) das dieser manuellen Bewegung entgegen gerichtete Drehmoment auf den Hebel (24) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft einen medizinischen Arbeitsplatz und eine Bedienvorrichtung zum manuellen Bewegen eines Roboterarms.
In der Telepräsenz bzw. Teleaktion werden Roboter über relativ große Distanzen ferngesteuert. Dabei werden Sollkommandos von einer Bedienperson an einer Bedienvorrichtung bzw. Eingabekonsole sensoriell erfasst, verarbeitet und an den entfernt stehenden Roboter übertragen. Gegebenenfalls über einen visuellen Rückkanal kann die Bewegung des Roboters überwacht werden. Personen weisen jedoch im Allgemeinen ein gewisses Zittern, den so genannten Tremor auf, wodurch die gewollte manuelle Bewegung der Bedienvorrichtung durch eine ungewollte durch den Tremor erzeugte Zitterbewegung überlagert wird. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn ein Hochskalieren der Bewegung an der Bedienvorrichtung realisiert ist, also die Bewegungen des Roboters größer als die der Eingabestation sind.
Die US 4 689 449 A offenbart eine Handkontrollvorrichtung zum Bedienen eines Rollstuhls. Die Handkontrollvorrichtung umfasst ein passives viskoses Dämpfungselement, um ein durch einen Tremor hervorgerufenes Zittern der Bedienperson zu dämpfen.
Die US 6 057 828 A offenbart eine Bedienvorrichtung für eine Simulation, wie z. B. einen Flugsimulator oder für medizinische Prozeduren. Um eine taktile Rückmeldung während der Simulation zu erhalten, kann ein Elektromotor eine entsprechende Gegenkraft erzeugen.
Die EP 0 883 376 B1 offenbart einen medizinischen Arbeitsplatz mit mehreren zum Behandeln eines Patienten vorgesehenen Roboterarmen, die mittels einer Bedienvorrichtung des medizinischen Arbeitsplatzes manuell bewegt werden können. Die Bedienvorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung und mit dieser gekoppelte manuell bewegbare erste und zweite Eingabeeinrichtungen. Werden die Eingabeeinrichtungen bewegt, so erzeugt die Steuereinrichtung ein Signal, um die Roboterarme entsprechend zu bewegen. Die Steuereinrichtung weist ferner ein analoges oder digitales Filter auf, das aus dem Signal eine einem Hand-Tremor des die Bedienvorrichtung bedienenden Chirurgen zugeordnete Signalkomponente im Frequenzbereich von 6–12 Hz herausfiltert.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Bedienvorrichtung für einen solchen medizinischen Arbeitsplatz anzugeben, die relativ unempfindlich gegen einen Tremor einer die Bedienvorrichtung bedienenden Person ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Bedienvorrichtung zum manuellen Bewegen eines Roboterarms, aufweisend

– eine Steuerungsvorrichtung, die eingerichtet ist, zum Steuern einer Bewegung wenigstes eines zum Behandeln eines Lebewesens vorgesehenen Roboterarms vorgesehene Signale zu erzeugen, und
– wenigstens eine mit der Steuerungsvorrichtung gekoppelte manuelle mechanische Eingabevorrichtung, die eine Achse, einen drehbar um die Achse und/oder längs der Achse verschiebbar gelagerten Hebel und einen Elektromotor aufweist, wobei die Steuerungsvorrichtung die Signale aufgrund eines manuellen Bewegens des Hebels der Eingabevorrichtung erzeugt, so dass der Roboterarm eine der manuellen Bewegung entsprechenden Bewegung durchführt, wobei der Elektromotor eingerichtet ist, bei einem manuellen Bewegen des Hebels der Eingabeeinrichtung eine Kraft und/oder ein Drehmoment zum zumindest teilweisen Unterdrücken einer durch einen Tremor der die Eingabevorrichtung bedienenden Person resultierenden Teilbewegung zu erzeugen, indem der Elektromotor bei einer manuellen Bewegung des Hebels längs der Achse die dieser manuellen Bewegung entgegen gerichtete Kraft auf den Hebel und/oder bei einer manuellen Bewegung des Hebels um die Achse das dieser manuellen Bewegung entgegen gerichtete Drehmoment auf den Hebel erzeugt.

Die erfindungsgemäße Bedienvorrichtung ist dafür vorgesehen, den Roboterarm über eine gewisse Entfernung manuell zu bewegen. Eine mögliche Anwendung für die erfindungsgemäße Bedienvorrichtung ist im medizinischen Umfeld, in dem z. B. ein Arzt ein Lebewesen mittels eines oder mehrerer Roboterarme behandelt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft daher einen medizinischen Arbeitsplatz, der die erfindungsgemäße Bedienvorrichtung und wenigstes einen zum Behandeln des Lebewesens vorgesehenen medizinischen Roboterarm aufweist, dessen Bewegung mittels der Bedienvorrichtung manuell steuerbar ist.
Wird die erfindungsgemäße Bedienvorrichtung im medizinischen Umfeld eingesetzt, dann kann der wenigstens eine Roboterarm beispielsweise mit einem medizinischen Instrument, insbesondere mit einem minimalinvasiven medizinischen Instrument versehen sein, wobei der Arzt den Roboterarm und somit das medizinische Instrument mittels der manuellen Eingabevorrichtung bewegt. Der Roboterarm kann beispielsweise in sechs Freiheitsgraden bewegt werden. Die Eingabevorrichtung kann z. B. dieselbe Anzahl von Freiheitsgraden wie oder mehr Freiheitsgrade als der zu bewegende Roboterarm aufweisen. Aufgrund des manuellen Bewegens des Roboterarms mittels der Eingabevorrichtung ergibt sich ein relativ einfaches manuelles Bewegen des Roboterarms.
Die erfindungsgemäße Bedienvorrichtung weist neben der mechanischen Eingabevorrichtung die mit dieser gekoppelte Steuerungsvorrichtung auf. Aufgrund des Bewegens der Eingabevorrichtung erzeugt die Steuerungsvorrichtung Signale, mittels derer die Bewegung des Roboterarms entsprechend der Bewegung der Eingabevorrichtung gesteuert wird. Die Steuerungsvorrichtung kann z. B. direkt die Roboterarme ansteuern oder mit einer weiteren Steuerungsvorrichtung verbunden sein, die Antriebe zum Bewegen der Roboterarme ansteuert. Im zweiten Fall kann, wenn mehrere Roboterarme verwendet werden, eine einzige Steuerungsvorrichtung alle oder mehrere der Roboterarme gemeinsam direkt ansteuern oder es kann jedem einzelnen Roboterarm eine individuelle Steuerungsvorrichtung zugeordnet sein, die von der Steuervorrichtung der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung angesteuert werden.
Die Eingabevorrichtung ist dafür vorgesehen, von einer Person mit der Hand bewegt zu werden. Durch den so genannten Tremor dieser Person wird der gewollten manuellen Bewegung der Eingabevorrichtung eine durch den Tremor hervorgerufene Zitterbewegung, die resultierende Teilbewegung, überlagert.
Die Eingabevorrichtung weist die Achse, den drehbar um die Achse und/oder längs der Achse verschiebbar gelagerten Hebel und den Elektromotor auf, der eingerichtet ist, bei einer manuellen Bewegung des Hebels längs der Achse die dieser manuellen Bewegung entgegen gerichtete Kraft auf den Hebel und/oder bei einer manuellen Bewegung des Hebels um die Achse das dieser manuellen Bewegung entgegen gerichtete Drehmoment auf den Hebel zu erzeugen. Die Eingabevorrichtung weist demnach die wenigstens eine Achse auf, der der Elektromotor zugeordnet ist. Der Elektromotor kann u. A. dafür verwendet werden, die Bedienvorrichtung kraftgeregelt auszuführen. Die Kraftregelung wird insbesondere dafür verwendet, gezielt in dem Bereich, in dem die durch den Tremor entstehende Zitterbewegung (Teilbewegung) entsteht, einzuwirken, indem der Elektromotor beispielsweise derart angesteuert oder geregelt wird, um die der Zitterbewegung entgegen gerichtete Kraft bzw. das der Zitterbewegung entgegen gesetzte Drehmoment auf den der Achse zugeordneten Hebel aufzubringen. Somit ist es in relativ einfacher Weise und mit relativ einfachen Mitteln möglich, die Zitterbewegung zumindest teilweise zu kompensieren, insbesondere dann, wenn die Bedienvorrichtung kraftgeregelt ausgeführt ist.
Das vom Elektromotor aufzubringende entgegen gerichtete Drehmoment τ_Motor kann beispielsweise gemäß folgender Formel berechnet werden: τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) wobei D ein Dämpfungsfaktor, der insbesondere dem Frequenzbereich des Tremors zugeordnet ist, θ · die Geschwindigkeit ist, mit der sich der Hebel um die Achse dreht, und θ ·_S die zeitliche Ableitung eines Soll-Winkels des Hebels ist. Ändert sich der Soll-Winkel nicht oder nur verhältnismäßig langsam, dann wird θ ·_S null bzw. kann gegebenenfalls vernachlässigt werden. Der Dämpfungsfaktor kann konstant oder z. B. von der Geschwindigkeit abhängig sein, mit der sich der Hebel um die Achse dreht. Die Größe der Dämpfung kann auch einstellbar sein, um z. B. an eine bestimmte, die erfindungsgemäße Bedienvorrichtung bedienende Person angepasst zu werden. Die Dämpfung kann auch abhängig von einer Skalierung sein, wobei sich der Grad der Bewegung des Roboterarms um die Skalierung von dem Grad der Bewegung der Eingabevorrichtung unterscheidet.
Nach weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung kann das vom Elektromotor aufzubringende entgegen gerichtete Drehmoment τ_Motor gemäß einer der folgenden Formeln berechnet werden: τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) + k(θ_S – θ) τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) + m·(θ ··_S – θ ··) τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) + k(θ_S – θ) + m·(θ ··_S – θ ··) wobei k eine dem Hebel zugeordnete virtuelle Steifigkeit, m eine dem Hebel zugeordnete virtuelle Masse bzw. Trägheit, θ_S ein Soll-Winkel des Hebels bezüglich der Achse, θ ein (Soll-)Winkel, um den der Hebel bezüglich des Soll-Winkels θ_S um die Achse gedreht ist, θ ·· die Beschleunigung ist, mit der sich der Hebel um die Achse dreht, und θ ·_S die zeitliche Ableitung des Soll-Winkels des Hebels ist. Ändert sich der Soll-Winkel nicht oder nur verhältnismäßig langsam, dann wird θ ·_S und θ ··_S null bzw. kann gegebenenfalls vernachlässigt werden.
Die Geschwindigkeit kann z. B. mittels dem Hebel zugeordneter Positionssignale ermittelt werden. Bei der Wahl des Dämpfungsfaktors und gegebenenfalls der virtuellen Steifigkeit und der virtuellen Masse/der virtuellen Trägheit kann eine durch die Berechnung der Geschwindigkeit mittels der Positionssignale entstehende Latenz berücksichtigt werden. Die Geschwindigkeit kann aber auch mittels eines dem Hebel bzw. der Achse zugeordneten Geschwindigkeitssensors ermittelt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 einen medizinischen Arbeitsplatz mit mehreren Roboterarmen und eine mechanische Handeingabevorrichtungen aufweisende Bedienvorrichtung zum manuellen Bewegen der Roboterarme und
2 und 3 Detailansichten einer der mechanischen Handeingabevorrichtungen und
4 eine Detailansicht einer alternativen mechanischen Handeingabevorrichtung für die Bedienvorrichtung.
Die 1 zeigt einen medizinischen Arbeitsplatz, der eine Patientenliege L, mehrere Roboterarme M1–M3 und eine Bedienvorrichtung 1 zum manuellen Bewegen der Roboterarme M1–M3 aufweist. Jeder der Roboterarme M1–M3 weist mehrere mittels Antrieben bewegbare Achsen und eine Befestigungsvorrichtung F1–F3 auf und kann beispielsweise bezüglich sechs Freiheitsgraden bewegt werden.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels liegt auf der Patientenliege L eine Person P, die mittels der Roboterarme M1–M3 bzw. mittels an den Befestigungsvorrichtungen F1–F3 der Roboterarme M1–M3 befestigten Instrumenten behandelt werden kann. An den Befestigungsvorrichtungen F1, F2 der Roboterarme M1, M2 sind z. B. jeweils medizinische Instrumente W1, W2 und an der Befestigungsvorrichtung F3 des Roboterarms M3 ist beispielsweise eine Kamera W3 befestigt.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die Antriebe der Roboterarme M–M3, die medizinischen Instrumente W1, W2 und die Kamera W3 in nicht dargestellter Weise mit einem ersten Steuerrechner 3 verbunden. Auf dem ersten Steuerrechner 3 läuft ein Rechnerprogramm, mittels dem der Steuerrechner 3 die Antriebe der Roboterarme M1–M3 derart ansteuern kann, so dass sich die Achsen der Roboterarme M1–M3 in gewünschter Weise derart bewegen, damit die Befestigungsvorrichtungen F1–F3 bzw. die Tool Center Points der medizinischen Instrumente W1, W2 und der Kamera W3 eine gewünschte Lage (Position und Orientierung) einnehmen.
Der medizinische Arbeitsplatz umfasst ferner die Bedienvorrichtung 1. Diese weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen zweiten Steuerrechner 5, zwei an einem Tisch 4 angeordnete und in nicht dargestellter Weise mit dem zweiten Steuerrechner 5 verbundene Handeingabevorrichtungen E1, E2, einen in nicht dargestellter Weise mit dem zweiten Steuerrechner 5 verbundenen Bildschirm 6 und eine mittels einer Leitung L1 mit dem zweiten Steuerrechner 5 verbundene Fußumschalteinrichtung 7 auf. Die beiden Steuerrechner 3, 5 können ferner über eine Datenleitung L2 miteinander kommunizieren.
Ein Teil einer der beiden Handeingabevorrichtungen E1, E2, z. B. der Handeingabevorrichtung E1 ist in den 2 und 3 dargestellt.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weisen die beiden Handeingabevorrichtungen E1, E2 jeweils einen Handgriff H1, H2, mehrere Achsen 21, 22 und mehrere Hebel 23–25 auf. In der in der 2 gezeigten Detailansicht der Handeingabevorrichtung E1 ist der Hebel 24 relativ zum Hebel 23 drehbar um die Achse 21 und der Hebel 25 relativ zum Hebel 24 drehbar um die Achse 22 gelagert dargestellt.
Ein in den Figuren nicht näher dargestellter Arzt kann die Handeingabevorrichtungen E1, E2 mittels der Handgriffe H1, H2 manuell bezüglich wenigstens sechs Freiheitsgraden bewegen. Die Handeingabevorrichtungen E1, E2 weisen z. B. den jeweiligen Achsen 21, 22 der Handeingabevorrichtungen E1, E2 zugeordnete und in der 3 dargestellte Winkelsensoren 26 auf, deren Signale dem zweiten Steuerrechner 5 übermittelt werden. Auf dem zweiten Steuerrechner 5 läuft wiederum ein Rechnerprogramm, das aufgrund der von den Handeingabevorrichtungen E1, E2 stammenden Signalen Bewegungen der Handeingabevorrichtungen E1, E2 erkennt. Die beiden Handeingabevorrichtungen E1, E2 können auch mehr als sechs Freiheitsgrade aufweisen.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die Handeingabevorrichtung E1 dafür vorgesehen, den Roboterarm M1 zu bewegen. Bei einem manuellen Bewegen der Handeingabevorrichtung E1 mittels ihres Handgriffs H1 detektieren die Winkelsensoren 26 der Handeingabevorrichtung E1 Winkeländerungen der relevanten Achsen 21, 22. Aus den von den Winkelsensoren 26 erzeugten Signalen ermittelt der zweite Steuerrechner 5 entsprechende Bewegungen der Handeingabevorrichtung E1 und übermittelt über die Leitung L2 eine entsprechende Information an den ersten Steuerrechner 3, der daraufhin die Antriebe des Roboterarms M1 derart ansteuert, so dass dessen Befestigungsvorrichtung F1 bzw. der Tool Center Point des medizinischen Instrumentes W1 eine der manuellen Bewegung der Handeingabevorrichtung E1 entsprechenden Bewegung durchführt.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die Handeingabevorrichtung E2 dafür vorgesehen, die beiden anderen Roboterarme M2, M3 zu bewegen. Um einen der beiden Roboterarme M2, M3 für das Bewegen auszuwählen, kann der Arzt die Fußumschalteinrichtung 7 betätigen, der mit der Steuerleitung L1 mit dem zweiten Steuerrechner 5 verbunden ist.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist am Roboterarm M3 die Kamera W3 befestigt, mit der Bilder vom Operationssitus aufgenommen werden können, so dass der Arzt z. B. eine optische Rückmeldung über die Lagen der Roboterarme M1, M2 und/oder der medizinischen Instrumente W1, W2 erhält. Die den mit der Kamera W3 aufgenommenen Bildern zugeordneten Bilddatensätze werden über die Leitung L2 vom ersten Steuerrechner 3 zum zweiten Steuerrechner 5 übermittelt, damit der zweite Steuerrechner 5 diese Bilder am Bildschirm 6 darstellten kann.
Personen weisen in der Regel eine natürlich Zitterbewegung, den so genannten Tremor, auf. Aufgrund des Tremors wird einer gewollten Bewegung des Arztes beim Bewegen der Handeingabevorrichtungen E1, E2 eine der Zitterbewegung zugeordnete Teilbewegung überlagert. Um diese zumindest teilweise zu unterdrücken, umfassen die Handeingabevorrichtungen E1, E2 Dämpfungseinrichtungen.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist z. B. der Achse 21 bzw. dem Hebel 24, der wie in der 3 näher dargestellt z. B. mittels einer Lagerung 30 bezüglich der Achse 21 relativ zum Hebel 23 drehbar gelagert ist, ein Elektromotor 27 zugeordnet, der mittels seiner Welle 28 mit einem Getriebe 29 gekoppelt ist. Der Elektromotor 27 weist z. B. auch eine Bremse 31 auf. Der Elektromotor 27, die Bremse 31 und der Winkelsensor 26 sind in nicht dargestellter Weise mit dem zweiten Steuerrechner 5 verbunden. Den weiteren Achsen der Handeingabevorrichtungen E1, E2 können ebenfalls Elektromotoren zugeordnet sein.
Mittels des Elektromotors 27 kann auf den Hebel 24 eine Kraft bzw. ein Drehmoment τ_Motor aufgebracht werden. Auf dem zweiten Steuerrechner 5 läuft nicht nur ein Rechnerprogramm, das aufgrund von den Winkelsensoren 26 stammenden Signalen die Signale zum Bewegen der Roboterarme M1–M3 erzeugt, sondern auch ein Rechnerprogramm, das den Elektromotor 27 derart ansteuert oder regelt, so dass dieser ein der Zitterbewegung des die Bedienvorrichtung 1 bedienenden Arztes entgegen gesetztes Drehmoment τ_Motor erzeugt. Dadurch wird die die gewollte Bewegung des Hebels 24 überlagerte Zitterbewegung gedämpft, wodurch durch die Zitterbewegung des Arztes verursachten Signalkomponenten der von den Winkelsensoren 26 stammenden Signalen zumindest reduziert werden.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels berechnet der zweite Steuerrechner 5 das vom Elektromotor 27 aufzubringende Drehmoment τ_Motor gemäß folgender Gleichung: τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) wobei D ein Dämpfungsfaktor, θ · die Geschwindigkeit ist, mit der sich der Hebel 24 um die Achse 21 dreht, und θ ·_S die zeitliche Ableitung eines Soll-Winkels des Hebels 24 ist. Ändert sich der Soll-Winkel nicht oder nur verhältnismäßig langsam, dann wird θ ·_S null bzw. kann gegebenenfalls vernachlässigt werden.
Die Geschwindigkeit, mit der sich der Hebel 24 aufgrund der manuellen Bewegung um die Achse 21 dreht, berechnet im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der zweite Steuerrechner 5 aus den von dem Winkelsensor 26 stammenden Signalen. Andere verfahren zum Ermitteln dieser Geschwindigkeit, wie z. B. eine direkte Messung mittels eines Geschwindigkeitssensors, sind auch möglich.
Der Dämpfungsfaktor kann konstant sein, ist aber im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels abhängig von der Geschwindigkeit, mit der der Hebel 24 um die Achse 21 gedreht wird, abhängig von einer Skalierung und/oder abhängig von der Person, die die Bedienvorrichtung 1 betätigt. Bei einer Skalierung unterscheidet sich der Grad der Bewegung des Roboterarms M1–M3 um die Skalierung von dem Grad der Bewegung der Handeingabevorrichtung E1, E2.
Der zweite Steuerrechner 5 kann das Drehmoment τ_Motor für den Elektromotor 27 auch gemäß einer der folgenden Formeln berechnen: τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) + k(θ_S – θ) τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) + m·(θ ··_S – θ ··) τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) + k(θ_S – θ) + m·(θ ··_S – θ ··) wobei k eine dem Hebel 24 zugeordnete virtuelle Steifigkeit, m eine dem Hebel 24 zugeordnete virtuelle Masse bzw. Trägheit, θ_S ein Soll-Winkel des Hebels 24 bezüglich der Achse 21, θ der Winkel, um den der Hebel 24 bezüglich des Soll-Winkels θ_S um die Achse 21 gedreht ist, und θ ·· die Beschleunigung, mit der sich der Hebel 24 um die Achse 21 dreht.
Im Falle des in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiels ist der Hebel 24 drehbar um die Achse 21 gelagert. Es ist aber auch möglich, dass die Handeingabevorrichtungen E1, E2 einen oder mehrere Hebel aufweisen, der längs einer Achse verschieblich gelagert ist. Ist z. B. der Hebel 24 längs der Achse 21 verschieblich gelagert ausgeführt, dann kann der Elektromotor 27 eine translatorische Bewegung des Hebels 24 längs der Achse 21 derart dämpfen, so dass die durch die Zitterbewegung des Arztes erzeugte Teilbewegung zumindest teilweise unterdrückt wird.
Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Dämpfungseinrichtung für die Handeingabevorrichtungen E1, E2, die zusätzlich zu der als Elektromotor 27 ausgebildeten Dämpfungseinrichtung verwendet werden kann.
Im Falle der in der 4 dargestellten Dämpfungseinrichtung handelt es sich um ein viskoses Dämpfungselement 40, das mittels einer Lagerung 41 am Hebel 24 befestigt ist und eine Bewegung des Hebels 24 um die Achse 21 insbesondere in einem dem Tremor des Arztes zugeordneten Frequenzbereich dämpft.
Der Dämpfungsfaktor des Dämpfungselements 40 kann konstant sein, ist aber im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels abhängig von der Geschwindigkeit, mit der der Hebel 24 um die Achse 21 gedreht wird, abhängig von einer Skalierung und/oder abhängig von der Person, die die Bedienvorrichtung 1 betätigt.
Im Falle des in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiels ist der Hebel 24 drehbar um die Achse 21 gelagert. Es ist aber auch möglich, dass die Handeingabevorrichtungen E1, E2 einen oder mehrere Hebel aufweisen, der längs einer Achse verschieblich gelagert ist. Ist z. B. der Hebel 24 längs der Achse 21 verschieblich gelagert ausgeführt, dann kann das Dämpfungselement 40 eine translatorische Bewegung des Hebels 24 längs der Achse 21 derart dämpfen, so dass die durch die Zitterbewegung des Arztes erzeugte Teilbewegung zumindest teilweise unterdrückt wird.

Claims

Bedienvorrichtung zum manuellen Bewegen eines Roboterarms, aufweisend – eine Steuerungsvorrichtung (5), die eingerichtet ist, zum Steuern einer Bewegung wenigstes eines zum Behandeln eines Lebewesens (P) vorgesehenen Roboterarms (M1–M3) vorgesehene Signale zu erzeugen, und – wenigstens eine mit der Steuerungsvorrichtung (5) gekoppelte manuelle mechanische Eingabevorrichtung (E1–E3), die eine Achse (21), einen drehbar um die Achse (21) und/oder längs der Achse (21) verschiebbar gelagerten Hebel (24) und einen Elektromotor (27) aufweist, wobei die Steuerungsvorrichtung (5) die Signale aufgrund eines manuellen Bewegens des Hebels (24) der Eingabevorrichtung (E1–E3) erzeugt, so dass der Roboterarm (M1–M3) eine der manuellen Bewegung entsprechenden Bewegung durchführt, wobei der Elektromotor (27) eingerichtet ist, bei einem manuellen Bewegen des Hebels (24) der Eingabeeinrichtung (E1, E2) eine Kraft und/oder ein Drehmoment zum zumindest teilweisen Unterdrücken einer durch einen Tremor der die Eingabevorrichtung (E1, E2) bedienenden Person resultierenden Teilbewegung zu erzeugen, indem der Elektromotor (27) bei einer manuellen Bewegung des Hebels (24) längs der Achse (21) die dieser manuellen Bewegung entgegen gerichtete Kraft auf den Hebel (24) und/oder bei einer manuellen Bewegung des Hebels (24) um die Achse (21) das dieser manuellen Bewegung entgegen gerichtete Drehmoment auf den Hebel (24) erzeugt.
Bedienvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das vom Elektromotor (27) aufzubringende entgegen gerichtete Drehmoment gemäß folgender Formel berechnet wird: τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) wobei D ein Dämpfungsfaktor, der insbesondere dem Frequenzbereich des Tremors zugeordnet ist, θ · die Geschwindigkeit ist, mit der sich der Hebel (24) um die Achse (21) dreht, und θ ·_S die zeitliche Ableitung eines Soll-Winkels des Hebels (24) ist.
Bedienvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das vom Elektromotor (27) aufzubringende entgegen gerichtete Drehmoment gemäß einer der folgenden Formeln berechnet wird: τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) + k(θ_S – θ) τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) + m·(θ ··_S – θ ··) τ_Motor = D·(θ ·_S – θ ·) + k(θ_S – θ) + m·(θ ··_S – θ ··) wobei D ein Dämpfungsfaktor, der insbesondere dem Frequenzbereich des Tremors zugeordnet ist, k eine dem Hebel zugeordnete virtuelle Steifigkeit, m eine dem Hebel zugeordnete virtuelle Masse bzw. Trägheit, θ ·_S ein Soll-Winkel des Hebels (24) bezüglich der Achse (21), θ ein Winkel, um den der Hebel (24) bezüglich des Soll Winkels θ_S um die Achse (21) gedreht ist, θ · die Geschwindigkeit, mit der sich der Hebel (24) um die Achse (21) dreht, und θ ·· die Beschleunigung ist, mit der sich der Hebel (24) um die Achse (21) dreht.
Bedienvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der der Dämpfungsfaktor von der Geschwindigkeit abhängt, mit der sich der Hebel (24) um die Achse (21) dreht.
Medizinischer Arbeitsplatz, aufweisend eine Bedienvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und wenigstes einen zum Behandeln des Lebewesens (P) vorgesehenen medizinischen Roboterarm (M1–M3), dessen Bewegung mittels der Bedienvorrichtung (1) manuell steuerbar ist.