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Die Erfindung betrifft einen Roboter, insbesondere zur Ausführung einer medizinischen Behandlung.
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In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten kommen heutzutage Roboter zur Ausführung von Bewegungsabläufen zum Einsatz. Beispielsweise werden im Rahmen von medizinischen und insbesondere chirurgischen Behandlungen durch einen Benutzer steuerbare medizinische Roboter verwendet, welche die durch den Benutzer spezifizierten Bewegungen im Rahmen der medizinischen Behandlung durchführen. Medizinische Roboter verwenden zu ihrer Bewegung in der Regel elektrische Antriebe, welche aufwändig aufgebaut sind und entsprechende Getriebe zur Kraftumsetzung umfassen.
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Im Rahmen der Steuerung einer Roboterbewegung ist es oftmals wünschenswert, die sog. Nachgiebigkeit der Roboterbewegung, welche auch unter dem englischen Begriff „Compliance” bekannt ist, geeignet zu steuern. Unter Nachgiebigkeit ist dabei die Elastizität der Roboterbewegung im Falle eines Widerstands gegen diese Bewegung zu verstehen. Das heißt, die Nachgiebigkeit bzw. Compliance betrifft die Größe der Gegenkraft, die maximal von einem Roboter aufgebaut wird, wenn dieser auf ein Hindernis stößt. Je höher diese Gegenkraft ist, umso geringer ist die Nachgiebigkeit des Roboters bzw. dessen Bewegung.
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In der Druckschrift
US 2009/0062813 A1 ist ein medizinisches Robotersystem mit einem zur Ausführung der medizinischen Behandlung vorgesehenen Manipulators beschrieben, wobei die Steifigkeit des Manipulators in Abhängigkeit von vorbestimmten Kriterien, beispielsweise vom Typ des über den Manipulator bedienten medizinischen Geräts, eingestellt werden kann.
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Neben elektrischen Antrieben sind zur Bewegung von Robotern auch pneumatische Aktuatoren bekannt, welche über die Zufuhr von Druckluft zum Aktuator eine Betätigung der Aktuatorbewegung bewirken können. Beispiele von solchen Aktuatoren sind sog. künstliche pneumatische Muskeln. In dem Artikel Frank Daerden et al., „Pleated pneumatic artificial muscles: actuators for automation and robotics”, 2001 IEEE/ASME International Conference an Advanced Intelligent Mechatronics, Como, Juli 2001, Seiten 738 bis 734, werden pneumatische Aktuatoren in der Form solcher pneumatischer Muskeln beschrieben, welche sich bei der Zufuhr von Druckluft aufblasen und dadurch verkürzen. Über die Einstellung eines Durchschnittsdrucks in dem Muskel kann dabei die Nachgiebigkeit des Aktuators verändert werden.
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Bei herkömmlichen Robotersystemen mit einstellbarer Nachgiebigkeit erweist es sich als nachteilhaft, dass die Nachgiebigkeit nicht unmittelbar durch Veränderung der Eigenschaften des die Roboterbewegung ausführenden Manipulators verändert wird, sondern die gewünschte Nachgiebigkeit im Rahmen einer Regelschleife durch eine Steuereinheit generiert wird. Hierdurch wird die Robotersteuerung aufwändig. Ferner kann es aufgrund der Regelschleife bei plötzlich auftretenden Hindernisse zu einer Verzögerung bei der Nachregelung der Nachgiebigkeit kommen.
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Das Dokument
WO 2007/095662 A1 offenbart einen Roboterarm aus miteinander verketteten, aktiven Schwenkhebeln mit Luftmuskeln. Mittels einer Steuerung kann die Kraft des Roboterarms gegen einen äußeren Widerstand eingestellt werden.
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In dem Dokument
US 2009/0062813 A1 ist ein Manipulator für eine medizinische Vorrichtung beschrieben, dessen Steifigkeit in Abhängigkeit von verschiedenen Kriterien, wie z. B. einem Betriebsmodus, eingestellt werden kann.
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Das Dokument
DE 10 2006 006 322 B3 offenbart eine Roboterhand, bei welcher über ein Steifigkeits-Einstellelement die Steifigkeit zwischen den Gelenken eingestellt werden kann.
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In der Druckschrift
DE 36 30 822 A1 ist eine Antriebsvorrichtung mit Tastvermögen beschrieben, welche einen Aktuator mit zwei pneumatischen Muskeln in der Form von dehn- und zusammenziehbaren elastischen Körpern umfasst. Über die Einstellung der Drücke in den elastischen Körpern erfolgt die Betätigung des Aktuators.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Roboter zu schaffen, bei dem in einfacher Weise die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung eingestellt werden kann und unkontrollierte Roboterbewegungen vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch den Roboter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Der erfindungsgemäße Roboter, der insbesondere zur Ausführung einer medizinischen und besonders bevorzugt einer chirurgischen Behandlung dient, umfasst eine durch eine Anzahl von pneumatischen Aktuatoren bewegbare Mechanik, wobei die Aktuator-Nachgiebigkeit der jeweiligen pneumatischen Aktuatoren einstellbar ist. Ferner umfasst der Roboter eine Steuereinrichtung, durch welche die Bewegung des Roboters über die Betätigung der Anzahl von pneumatischen Aktuatoren steuerbar ist. Die Steuereinrichtung ist dabei mittels einer Benutzerschnittstelle bedienbar, wobei die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung über die Benutzerschnittstelle durch einen Benutzer festlegbar ist. Die Steuereinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie die Aktuator-Nachgiebigkeit der jeweiligen Aktuatoren in Abhängigkeit von der über die Benutzerschnittstelle festgelegten Nachgiebigkeit der Roboterbewegung einstellt.
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Erfindungsgemäß umfasst zumindest ein pneumatischer Aktuator einen ersten und einen zweiten künstlichen pneumatischen Muskel, über welche ein Gelenk bewegbar ist, wobei über die Einstellung einer Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten pneumatischen Muskel der Aktuator zur Bewegung des Gelenks betätigbar ist. Dabei wird der erste pneumatische Muskel mit einer ersten Druckluftleitung mit Druckluft gespeist, wohingegen der zweite pneumatische Muskel über eine zweite Druckluftleitung mit Druckluft gespeist wird, wobei die erste und zweite Druckluftleitung über eine Ventilanordnung derart miteinander verbunden sind, dass ein über einem Schwellenwert liegender Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Druckluftleitung durch die Ventilanordnung ausgeglichen wird. Hierdurch werden unkontrollierte Bewegungen des Aktuators bei einem plötzlichen Druckanstieg, z. B. bei Anschlag an ein Hindernis, bzw. bei einem plötzlichen Druckabfall, beispielsweise aufgrund eines Loches in einem pneumatischen Muskel, verhindert. Der Schwellenwert kann dabei nach einer in der Steuereinrichtung des Roboters hinterlegten Kennlinie an die eingestellte Aktuator-Nachgiebigkeit des zumindest einen pneumatischen Aktuators gekoppelt sein.
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Der erfindungsgemäße Roboter zeichnet sich durch eine Kombination von pneumatischen Aktuatoren mit einer Steuerung der Nachgiebigkeit dieser Aktuatoren in Abhängigkeit von einer durch einen Benutzer spezifizierte Nachgiebigkeit aus. Hierdurch wird dem Benutzer des Roboters die Möglichkeit gegeben, je nach Anwendungsfall die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung geeignet einzustellen, wobei die Veränderung der Nachgiebigkeit auf einfache Weise bewirkt werden kann, da der Roboter über eine Anzahl von pneumatischen Aktuatoren bewegt wird, deren Nachgiebigkeit problemlos über den Luftdruck in den Aktuatoren eingestellt werden kann. Die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung wird somit nicht über eine Regelschleife bewirkt, sondern direkt durch die pneumatischen Aktuatoren.
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Eine besonders einfache Bedienung des Roboters wird in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht, dass durch die Benutzerschnittstelle verschiedene Bewegungsmodi des Roboters mit unterschiedlichen Nachgiebigkeiten der Roboterbewegung spezifizierbar sind, wobei die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie in Abhängigkeit von dem spezifizierten Bewegungsmodus die Aktuator-Nachgiebigkeit der jeweiligen Aktuatoren einstellt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboters kann ein Benutzer über die Benutzerschnittstelle eine oder mehrere Aktuator-Nachgiebigkeiten und/oder Bewegungsmodi vorgeben und/oder modifizieren, wobei die Benutzerschnittstelle zur Vorgabe und/oder Modifikation der einen oder mehreren Aktuator-Nachgiebigkeiten und/oder Bewegungsmodi vorzugsweise ein manuelles Bedienmittel per Hand und/oder ein Bedienmittel per Fuß und/oder ein akustisches Bedienmittel (z. B. mittels Spracheingabe und Spracherkennung) aufweist. Das Bedienmittel per Fuß umfasst dabei vorzugsweise einen oder mehrere Fußtaster, insbesondere zwei Fußtaster, und/oder eine mit dem Fuß vor- und zurückdrehbare Drehrolle und/oder ein Pedal. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das manuelle Bedienmittel einen oder mehrere Drucktaster, insbesondere zwei Drucktaster, und/oder einen oder mehrere Wippschalter.
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Wie bereits oben erwähnt, ist eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Roboters die Durchführung von robotergestützten medizinischen bzw. chirurgischen Behandlungen. Demzufolge umfassen in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die über die Benutzerschnittstelle spezifizierbaren Bewegungsmodi verschiedene auszuführende medizinische und insbesondere chirurgische Behandlungen und/oder verschiedene während einer medizinischen bzw. chirurgischen Behandlung durchgeführte Aktionen.
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In einer Ausführungsform sind dabei bei der Durchführung einer roboter-gestützten chirurgischen Behandlung ein oder mehrere der folgenden Bewegungsmodi über die Benutzerschnittstelle spezifizierbar:
- – ein Bewegungsmodus zum Offenhalten eines Einschnitts in einer vorgegebenen Position, dem eine erste Nachgiebigkeit zugeordnet ist;
- – ein Bewegungsmodus zum Bewegen eines chirurgischen Instruments (z. B. eines Endoskops) in einen Einschnitt, dem eine zweite Nachgiebigkeit zugeordnet ist, welche höher als die erste Nachgiebigkeit ist;
- – ein Bewegungsmodus zum Bedienen von weiterem, sich von dem chirurgischen Instrument unterscheidenden Operationswerkzeug (wie z. B. Pinzette, Greifer, Schnittwerkzeug), dem eine dritte Nachgiebigkeit zugeordnet ist, welche vorzugsweise höher als die zweite Nachgiebigkeit ist, jedoch gegebenenfalls auch geringer oder genauso groß wie die zweite Nachgiebigkeit sein kann.
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Somit wird die Nachgiebigkeit in Abhängigkeit davon eingestellt, wie präzise die Bewegung auszuführen ist bzw. wie hoch eine Gefahr der Verletzung von Patientengewebe bzw. Patientenorganen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboters wird über die Benutzerschnittstelle eine Meldung ausgegeben, falls bei Anschlag des Roboters an ein Objekt die durch den Roboter ausgeübte Kraft eine Schwelle überschreitet, wobei diese Schwelle von der über die Benutzerschnittstelle festgelegten Nachgiebigkeit abhängt. Die Schwelle ist dabei umso höher, je geringer die Nachgiebigkeit des Roboters ist. Die ausgegebene Meldung umfasst dabei vorzugsweise einen Hinweis, um wie viel die über die Benutzerschnittstelle festgelegte Nachgiebigkeit verringert werden muss, so dass die Bewegung des Roboters fortgesetzt werden kann, sofern bekannt ist, mit welcher Kraft der Widerstand des Objekts überwunden werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen mehrere pneumatische Aktuatoren der Anzahl von pneumatischen Aktuatoren einen oder mehrere künstliche pneumatische Muskeln.
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Künstliche pneumatische Muskeln sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und ermöglichen in einfacher Weise durch die Zufuhr von Druckluft eine Verkürzung des Muskels und damit eine entsprechende Bewegung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist über die Einstellung eines Nominalluftdrucks, der im ersten und zweiten pneumatischen Muskel ohne Vorhandensein einer Druckdifferenz zwischen beiden pneumatischen Muskeln vorliegt, die Aktuator-Nachgiebigkeit veränderbar. Gemäß dieser Ausführungsform wird eine einfache Einstellung der Nachgiebigkeit eines Aktuators dadurch erreicht, dass der Nominaldruck entsprechend erhöht bzw. herabgesetzt wird. Der Nominaldruck stellt somit ein geeignetes Maß für die Nachgiebigkeit dar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das über den Aktuator bewegbare Gelenk ein Drehgelenk, über das zwei Schenkel gegeneinander um eine Drehachse gedreht werden, wobei auf einer Seite der Drehachse und der beiden Schenkel der erste pneumatische Muskel vorgesehen ist, der an einem Ende an dem einen Schenkel und am anderen Ende an dem anderen Schenkel angelenkt ist und wobei auf der anderen Seite der Drehachse und der beiden Schenkel der zweite pneumatische Muskel vorgesehen ist, der an einem Ende an dem einen Schenkel und am anderen Ende an dem anderen Schenkel angelenkt ist. Hierdurch wird eine einfach aufgebaute Betätigung eines Drehgelenks über zwei entgegenwirkende pneumatische Muskeln erreicht.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ventilanordnung ein erstes, zwischen der ersten und zweiten Druckluftleitung geschaltetes Ventil, welches öffnet, wenn der Luftdruck in der ersten Druckluftleitung um den Schwellenwert größer ist als der Luftdruck in der zweiten Druckluftleitung, sowie ein zweites, zwischen der ersten und der zweiten Druckluftleitung geschaltetes Ventil, welches öffnet, wenn der Luftdruck in der zweiten Druckluftleitung um den Schwellenwert größer ist als der Luftdruck in der ersten Druckluftleitung. Der Schwellenwert, zu dem das erste und/oder zweite Ventil öffnet, kann gegebenenfalls über ein elektromechanisches Stellglied einstellbar sein, wobei über das Stellglied insbesondere eine Federkraft einstellbar ist, mit der das Ventil geschlossen gehalten wird. Um ein unkontrolliertes Öffnen des ersten bzw. zweiten Ventils im Falle eines Stromausfalls zu vermeiden, ist das Stellglied vorzugsweise derart ausgestaltet, dass es ohne Stromversorgung nicht verstellbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboters ist ein Kraftbestimmungsmittel zur Bestimmung der durch den Roboter ausgeübten Kraft vorgesehen, wobei die Bestimmung der Kraft in einer bevorzugten Variante über die Luftdrücke in der Anzahl von pneumatischen Aktuatoren erfolgt. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Kraftsensoren zur direkten Messung der Kraft verzichtet werden. Vielmehr kann aus den Luftdrucken die momentan ausgeübte Kraft abgeleitet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die über das Kraftbestimmungsmittel bestimmte Kraft über die Benutzerschnittstelle ausgegeben, so dass der Benutzer eine Rückmeldung bekommt, wie groß die Kraft ist und gegebenenfalls eingreifen kann, wenn sich die Kraft übermäßig erhöht.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Benutzerschnittstelle ein haptisches Steuergerät zur Steuerung der Roboterbewegung durch einen Benutzer, beispielsweise in der Form eines geeigneten Steuerknüppels. Gegebenenfalls kann dabei über das haptische Steuergerät eine Rückmeldung an den Benutzer gegeben werden, wenn die über das Kraftbestimmungsmittel bestimmte Kraft einen vorbestimmten Wert überschreitet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Roboterarms mit einer Mehrzahl von pneumatisch betätigten Gelenken gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung des detaillierten Aufbaus eines in 1 verwendeten pneumatischen Aktuators;
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, mit der die Nachgiebigkeit des pneumatisch betätigten Roboterarms aus 1 verändert werden kann; und
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4 eine schematische Darstellung einer Sicherheits-Ventilanordnung, welche in dem pneumatischen Aktuator gemäß 2 verwendet werden kann.
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1 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung einen Roboterarm R zur Durchführung einer chirurgischen Behandlung, dessen Nachgiebigkeit im Rahmen der Erfindung über eine Benutzerschnittstelle verändert werden kann. Der Roboterarm gemäß 1 umfasst vier Schenkel 1, 2, 3, 4, wobei am vorderen Ende des Schenkels 4 je nach Verwendung des Roboters ein geeignetes chirurgisches Instrument, wie z. B. ein Greifer, eine Pinzette, ein Schneidmesser und dergleichen, positioniert werden kann. Zwischen den einzelnen Schenkeln 1 bis 4 sind Gelenke vorgesehen, welche aus Übersichtlichkeitsgründen in 1 nicht detailliert gezeigt sind. Über ein jeweiliges Gelenk können die daran angelenkten Schenkel des Roboterarms gegeneinander verdreht werden, wobei in der Ausführungsform der 1 entsprechende Drehachsen zwischen benachbarten Schenkeln durch gestrichelte Linien angedeutet sind und mit dem Bezugszeichen A bezeichnet sind. Die Drehung um die Achsen A wird ferner durch entsprechende Doppelpfeile an der jeweiligen Achse verdeutlicht.
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Eine Drehung um die Gelenke wird in dem Roboterarm der 1 über pneumatische Aktuatoren 5 bewirkt, welche in 1 lediglich schematisch angedeutet sind und zwei künstliche pneumatische Muskeln 501 bzw. 501' umfassen, die an gegenüberliegenden Enden an die durch das entsprechende Gelenk miteinander verbundenen Schenkel des Roboterarms angelenkt sind. Künstliche pneumatische Muskeln sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und ermöglichen über die Zufuhr von Druckluft eine Verkürzung der Länge des Muskels, wodurch entsprechende Bewegungen ausgeführt werden können. Zur Betätigung der pneumatischen Muskeln sind diese mit entsprechenden Druckluftleitungen verbunden, über welche den Muskeln Druckluft zugeführt wird, wie weiter unten anhand von 2 näher erläutert wird.
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Der Roboterarm R der 1 wird über eine geeignete Steuereinrichtung mittels einer Benutzerschnittstelle durch einen Benutzer, insbesondere einen Arzt, zur Durchführung der chirurgischen Behandlung gesteuert, wobei die Steuereinrichtung die Einstellung der sog. Nachgiebigkeit der Roboterbewegung ermöglicht. Der Begriff der Nachgiebigkeit wurde bereits oben näher beschrieben und gibt an, welche maximale Gegenkraft durch den Roboter aufgebaut wird, wenn dieser an ein anderes Objekt anschlägt. Je höher diese maximale Gegenkraft ist, desto geringer ist die Nachgiebigkeit des Roboters und umso steifer ist dieser. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung über eine Veränderung der entsprechenden Nachgiebigkeiten der pneumatischen Aktuatoren 5 bewirkt, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine Detailansicht eines der pneumatischen Aktuatoren des Roboterarms R der 1. Man erkennt in 2, dass die beiden Schenkel 1 und 2 über ein Gelenk 8 miteinander verbunden sind, wobei es sich bei diesem Gelenk um ein Drehgelenk mit einer Drehachse senkrecht zur Blattebene handelt. Sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite der Schenkel und des Gelenks ist ein pneumatischer Muskel 501 bzw. 501' vorgesehen. Beide Muskeln sind jeweils an beiden Enden über entsprechenden Zwischenstücke 6 sowie Drehzapfen 7 an dem unteren Schenkel 1 bzw. oberen Schenkel 2 angelenkt. In 2 erkennt man ferner die beiden Druckluftleitungen 9 bzw. 9', wobei die Druckluftleitung 9 den pneumatischen Muskel 501 mit Druckluft versorgt und die Druckluftleitung 9' den pneumatischen Muskel 501' mit Druckluft versorgt. Die Druckluft stammt dabei aus einem (nicht gezeigten) Druckluftreservoir. Zwischen den beiden Leitungen 9 und 9' sind Sicherheitsventile 10 bzw. 10' vorgesehen, welche weiter unten anhand von 4 näher erläutert werden.
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Über die Zufuhr von Druckluft in die jeweiligen pneumatischen Muskeln wird eine Verkürzung derselben erreicht, wobei durch einen entsprechend eingestellten Druckunterschied zwischen den beiden Muskeln eine Drehbewegung der beiden Schenkel zueinander bewirkt werden kann. Auf diese Weise wird über die Muskeln ein entgegengesetzt wirkender pneumatisch betätigter Aktuator geschaffen. In der in 2 dargestellten Position, in der die beiden Schenkel 1 und 2 nicht gegeneinander verdreht sind, ist der jeweilige Druck in den beiden pneumatischen Muskeln 501 und 501' gleich groß, wobei der Druck in dieser Position als Nominaldruck bezeichnet wird und den Durchschnitt der beiden Drucke in den Muskeln darstellt. Eine Bewegung der beiden Schenkel zueinander wird durch eine Erhöhung bzw. Erniedrigung des Drucks in einem der Muskeln 501 bzw. 501' erreicht. Durch die Veränderung des Nominaldrucks kann die Nachgiebigkeit des pneumatischen Aktuators auf einfache Weise verändert werden, wobei die Nachgiebigkeit umso geringer ist, je größer der eingestellte Nominaldruck in den beiden pneumatischen Muskeln ist.
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Wie sich aus 1 und 2 ergibt, kann ein Roboterarm R zur Durchführung von chirurgischen Eingriffen in einfacher Weise über künstliche pneumatische Muskeln bewegt werden, wobei in der die Anordnung der Muskeln gemäß 2 durch die Einstellung eines Nominaldrucks eine geeignete Veränderung der Nachgiebigkeit der entsprechenden Aktuatoren erreicht werden kann. Zur Steuerung der Nachgiebigkeit wird dabei eine Steuereinrichtung mit geeigneter Benutzerschnittstelle verwendet, wie nachfolgend anhand von 3 erläutert wird. 3 zeigt in schematischer Darstellung die Komponenten einer Steuereinrichtung CU, über welche die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung eingestellt werden kann und die Roboterbewegung gesteuert werden kann, was durch Veränderung des Nominaldrucks Pnom bzw. des Differenzdrucks Pdif der einzelnen pneumatischen Aktuatoren gemäß 2 bewirkt wird. Die Steuereinrichtung umfasst eine geeignete Benutzerschnittstelle UI, über welche ein Benutzer U in der Form eines Operators (z. B. ein Arzt) Befehle eingeben kann. Wie in herkömmlichen Steuereinrichtungen beinhaltet die Benutzerschnittstelle UI eine Bewegungs-Befehleinheit MO, über welche der Benutzer durch Eingabe von Befehlen die Bewegung des Roboterarms manuell steuern kann. Diese Bewegungs-Befehlseinheit kann beispielsweise ein haptisches Steuergerät in der Form eines Steuerknüppels nach Art eines Joysticks sein. Die über die Bewegungs-Befehlseinheit 110 eingegebenen Befehle werden über eine Bewegungs-Steuereinheit MC in entsprechende Anweisungen für den Roboterarm R gewandelt, woraufhin die geeigneten Differenzdrucke Pdif in den einzelnen pneumatischen Aktuatoren eingestellt werden, um die gewünschte Bewegung des Roboters auszuführen.
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Im Unterschied zu herkömmlichen Steuereinheiten umfasst die Steuereinheit der 1 neben den Komponenten MO und MC, die zur Steuerung der Roboterbewegung dienen, ferner Komponenten, mit denen in geeigneter Weise die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung durch einen Benutzer eingestellt werden kann. Hierzu beinhaltet die Benutzerschnittstelle UI eine Nachgiebigkeits-Auswahl-Einheit CS, über welche die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung durch Auswahl entsprechender Bewegungsmodi durch einen Benutzer verändert werden kann. In Abhängigkeit von der Auswahl über die Einheit CS stellt dann eine Nachgiebigkeits-Steuereinheit CC die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung durch die Einstellung der entsprechenden Nominaldrucke Pnom in den pneumatischen Aktuatoren geeignet ein. Die Einheit CS kann dabei z. B. als Touchscreen oder als Display mit angeschlossener Tastatur ausgestaltet sein.
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In der Ausführungsform der 3 erfolgt ferner eine Rückkopplung der tatsächlich in den einzelnen pneumatischen Akutatoren vorliegenden Nominal- bzw. Differenzdrucke an die Bewegungs-Steuereinheit MC bzw. an die Nachgiebigkeits-Steuereinheit, wie durch die Linien FB bzw. FB' in 1 angedeutet ist. Dabei werden die Drucke durch entsprechende Drucksensoren an den einzelnen pneumatischen Aktuatoren erfasst. Über die erfassten Drucke kann dabei in einfacher Weise bestimmt werden, welche Kraft der Roboterarm aktuell ausübt bzw. wie seine Nachgiebigkeit aktuell eingestellt ist. Gegebenenfalls können zusätzlich auch noch Kraftsensoren vorgesehen sein, welche die ausgeübte Kraft des Roboterarms direkt erfassen. Ferner kann die Bewegungs-Befehlseinheit MO dem Benutzer gegebenenfalls eine haptische Rückmeldung über den auf den Roboter wirkenden Widerstand geben.
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Über die rückgekoppelten erfassten Drucke kann in einer Ausführungsform der Steuereinheit der 3 eine Wechselwirkung der Bewegungs-Steuereinheit MC und der Nachgiebigkeits-Steuereinheit CC realisiert werden, wobei diese Wechselwirkung in 3 durch die gestrichelte Linie L angedeutet ist.
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Insbesondere besteht dabei die Möglichkeit, dass ein funktionales Kriterium zwischen der über die Steuereinheit MC gesteuerten Bewegung und der über die Steuereinheit CC gesteuerten Nachgiebigkeit geeignet optimiert wird. Beispielsweise kann im Falle, dass die durch den Roboter ausgeübte Kraft einen Schwellenwert überschreitet, die Steuereinheit MC an die Steuereinheit CC eine Meldung ausgeben, woraufhin die Steuereinheit die Nachgiebigkeit in vorbestimmten Grenzen erniedrigt bzw. die Nachgiebigkeits-Auswahl-Einheit CS anweist, eine entsprechende Meldung über die Benutzerschnittstelle UI auszugeben, gemäß der ein Benutzer dazu aufgefordert wird, zu spezifizieren, ob eine weitere Verringerung der Nachgiebigkeit erwünscht ist.
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Die in 3 gezeigte Steuereinheit CU ermöglicht eine geeignete Auswahl einer Nachgiebigkeit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Bewegungsmodi. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stellen die Bewegungsmodi dabei entsprechende Verwendungsmöglichkeiten des Roboterarms dar. Der Benutzer wählt dabei über die Einheit CS der Benutzerschnittstelle UI den von ihm gewünschten Bewegungsmodus aus, woraufhin die Einheit CC automatisch die Nachgiebigkeit in Abhängigkeit von dem Bewegungsmodus einstellt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Benutzer über die Benutzerschnittstelle UI zunächst auswählen, ob er mit dem Roboterarm eine minimal-invasive chirurgische Behandlung oder eine offene chirurgische Behandlung durchführen möchte. In Abhängigkeit von dieser Auswahl werden dem Benutzer dann weitere Auswahlmöglichkeiten angeboten. Je nachdem, welche Auswahlmöglichkeit der Benutzer dann wählt, wird die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung entsprechend eingestellt.
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Nach der Auswahl einer minimal-invasiven chirurgischen Behandlung durch den Benutzer kann dieser in einer bevorzugten Ausführungsform folgende Optionen auswählen:
- – Der Benutzer kann spezifizieren, dass mit dem Roboter ein im Rahmen der minimal-invasiven Chirurgie vorgenommener Einschnitt offengehalten werden soll. In diesem Fall wird durch die Steuereinrichtung eine mittlere Nachgiebigkeit für den Roboter eingestellt, um damit in der Lage zu sein, das menschliche Gewebe in einer gewünschten Position zu halten, ohne dass in kurzer Zeit sehr große Kräfte entwickelt werden, falls durch das Gewebe Gegendruck erzeugt wird.
- – Der Benutzer kann spezifizieren, dass durch den Roboter ein Endoskop in den Einschnitt geführt werden soll. In diesem Fall wird eine höhere Nachgiebigkeit eingestellt, ohne dass jedoch zu große Kräfte auf das menschliche Gewebe ausgeübt werden.
- – Der Benutzer kann spezifizieren, dass Operationswerkzeug, insbesondere Pinzetten, Greifer und Schnittwerkzeug, durch den Roboter zu bewegen sind, wobei gegebenenfalls auch genau angegeben werden kann, welches Operationswerkzeug verwendet wird. In diesem Bewegungsmodus wird eine niedrige Nachgiebigkeit (d. h. eine hohe Steifigkeit) eingestellt, denn es ist wichtig, dass die entsprechenden Operationswerkzeuge genau den Bewegungskommandos des Benutzers folgen, um somit komplexe Aufgaben, wie z. B. das Schneiden von Gewebe, richtig und zuverlässig auszuführen.
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Im Falle, dass der Benutzer über die Einheit CS der Benutzerschnittstelle UI die Durchführung einer offenen Chirurgie spezifiziert, werden in einer bevorzugten Ausführungsform dem Benutzer analog zur minimal-invasiven Chirurgie entsprechende Auswahlmöglichkeiten zur Spezifikation der über den Roboter durchzuführenden Aufgabe gegeben. Beispielsweise kann ein Benutzer spezifizieren, ob er mit dem Roboter das Nähen oder Schneiden von menschlichem Gewebe durchführen möchte, wobei in diesem Fall eine niedrige Nachgiebigkeit der Roboterbewegung eingestellt wird. Ferner kann der Benutzer spezifizieren, dass er mit dem Roboterarm menschliches Gewebe bzw. Organe verschieben bzw. positionieren möchte. In diesem Fall wird eine höhere Nachgiebigkeit der Roboterbewegung eingestellt, um somit zu hohe Kräfte auf das menschliche Gewebe bzw. die Organe und damit verbundenen Schaden zu vermeiden.
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In weiteren Ausführungsformen besteht gegebenenfalls die Möglichkeit, dass die Art der durch den Roboter durchzuführenden Bewegung noch genauer spezifiziert wird. Insbesondere kann gegebenenfalls über die Benutzerschnittstelle genau festgelegt werden, welche Art der Tätigkeit durch ein Operationswerkzeug durchgeführt wird. Wird beispielsweise spezifiziert, dass mit einem Greifwerkzeug menschliches Gewebe gegriffen wird, wird die Nachgiebigkeit hoch eingestellt, wohingegen im Falle, dass über die Benutzerschnittstelle das Ergreifen eines Knochens oder von widerstandsfähigeren Objekten spezifiziert wird, die Nachgiebigkeit entsprechend niedriger eingestellt wird.
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Nachfolgend wird anhand von 4 die Funktionsweise der in 2 gezeigten Sicherheitsventile 10 und 10' erläutert. Wie aus 4 ersichtlich wird, sind die einzelnen Ventile 10 und 10' jeweils mit Zuleitungen 901 und 901' verbunden. Die Zuleitung 901 ist dabei mit der Druckluftleitung 9 verbunden und führt zum pneumatischen Muskel 501 der 2. Demgegenüber ist die Zuleitung 901' mit der Druckluftleitung 9' der 2 verbunden und führt zu dem pneumatischen Muskel 501'. Das Ventil 10 umfasst zwischen den beiden Zuleitungen 901 und 901' eine Ventilöffnung 11, welche über den Ventildeckel 12 geöffnet bzw. verschlossen werden kann und im geöffneten Zustand die beiden Zuleitungen 901 und 901' miteinander verbindet. Über eine Feder 13 wird dabei der Ventildeckel 12 elastisch vorgespannt, so dass die Ventilöffnung 11 bei gleich hohem Druck in den beiden pneumatischen Muskeln 501 und 501' geschlossen ist. Tritt nunmehr in dem pneumatischen Muskel 501 eine Druckerhöhung auf, welche einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, führt dies zum öffnen des Ventildeckels 12 gegen die Kraft der Feder 13, wodurch ein Druckausgleich zwischen den beiden Leitungen 901 und 901' bewirkt wird. Der entsprechende Schwellwert zum öffnen des Ventils wird dabei über ein elektromechanisches Stellglied 14 eingestellt, welches sich zur Erhöhung des Schwellwerts in Vorwärtsrichtung bewegt und hierdurch die Feder 13 zusammendrückt, wodurch die Kraft erhöht wird, welche zum Öffnen des Ventildeckels 12 führt. Das elektromechanische Stellglied 14 ist dabei derart ausgestellt, dass die Bewegung des Stellglieds ohne Stromversorgung in Rückwärtsrichtung gesperrt ist, so dass keine Rückwärtsbewegung des Stellglieds bei Stromausfall aufgrund einer Druckerhöhung in der Leitung 901 bzw. einer Druckerniedrigung in der Leitung 901' ausgeführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Stellglied ein Elektromotor mit einem Kugelgewindetrieb bzw. einem Planetengetriebe eingesetzt.
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Das soeben beschriebene Ventil 10 bewirkt im Falle, dass sich der Druck im Muskel 501 stark erhöht bzw. der Druck im Muskel 501' stark abfällt, einen Druckausgleich zwischen beiden Muskeln, wodurch einer unkontrollierten Bewegung des entsprechenden pneumatischen Aktuators, beispielsweise bei einem unerwarteten Anschlag gegen ein Objekt auf der Bewegungsbahn des Roboters oder eines Luftaustritts aus einem Muskel des Aktuators, entgegengewirkt wird. Das zweite Ventil 10' ist dabei analog zu dem Ventil 10 aufgebaut und unterscheidet sich gegenüber dem Ventil 10 lediglich dahingehend, dass die Zufuhrleitungen 901 und 901' vertauscht sind. Demzufolge übernimmt das Ventil 10' die Aufgabe, bei einer starken Druckerhöhung im Muskel 501' bzw. einem starken Druckabfall im Muskel 501 einen Druckausgleich zwischen den beiden Muskeln herzustellen.
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Gegebenenfalls können in dem erfindungsgemäßen Roboter zusätzlich zu der anhand von 4 beschriebenen Sicherheitsventilanordnung weitere Sicherheitsmechanismen vorgesehen sein. Beispielsweise können Kontrollventile verwendet werden, welche im Falle des Ausfalls der zentralen Druckluftzufuhr hin zu den Leitungen 9 bzw. 9' schließen, so dass der Roboter in diesem Fall in einer festen Position gehalten wird. Diese Ventile können analog zu der Sicherheitsventilanordnung gemäß 4 wiederum über einen Federmechanismus implementiert werden. Darüber hinaus besteht gegebenenfalls die Möglichkeit, einen Notschalter in dem erfindungsgemäßen Roboter zu implementieren, welcher die Druckluft wenigstens von dem letzten Glied des Roboters (z. B. dem Schenkel 4 des Arms der 1) entweichen lässt, so dass der Roboter manuell weg von dem Patienten bewegt werden kann, an dem gerade eine chirurgische Behandlung durchgeführt wird. Aufgrund der Verwendung von pneumatischen Aktuatoren ist der Roboter dabei sehr leicht und kann problemlos durch medizinisches Personal manuell bewegt werden.
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Die im Vorangegangenen beschriebene Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird ein Roboter für medizinische bzw. chirurgische Behandlungen geschaffen, dessen Nachgiebigkeit in geeigneter Weise über eine Benutzerschnittstelle in Abhängigkeit von der spezifizierten chirurgischen Aufgabe eingestellt wird. Wird über die Benutzerschnittstelle beispielsweise das Drücken bzw. die Bewegung von menschlichem Gewebe spezifiziert, so wird die Nachgiebigkeit des Roboters höher eingestellt, als wenn durch den Roboter ein Operationswerkzeug bewegt wird. Insbesondere wird dabei eine besonders niedrige Nachgiebigkeit eingestellt, wenn durch den Roboter ein Schnitt in menschliches Gewebe durchgeführt wird.
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Durch die Einstellung der Nachgiebigkeit der Roboterbewegung wird die Gefahr von Schäden aufgrund einer Kollision von mehreren robotischen chirurgischen Instrumenten während einer Operation vermieden. Oftmals werden z. B. im Rahmen von minmal-invasiver Chirurgie drei bis vier Roboter verwendet, um das zum Schnitt vorgesehene menschliche Gewebe zu positionieren, das Endoskop zu halten und weitere Aktionen auszuführen. Ein Roboter, der den Schnitt in das menschliche Gewebe ausführt, wird dabei auf eine niedrigere Nachgiebigkeit eingestellt als diejenigen Roboter, welche das Gewebe bei der Durchführung des Schnitts halten.
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Ein Chirurg muss bei der Verwendung des oben beschriebenen Roboters in der Regel die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung nicht manuell verändern, da bereits vorab ein geeigneter Nachgiebigkeitswert eingestellt ist. Nichtsdestotrotz hat der Chirurg gegebenenfalls die Möglichkeit, über die Benutzerschnittstelle bei Bedarf die Nachgiebigkeit in geeigneter Weise zu erhöhen bzw. zu erniedrigen, sofern er dies bei der gerade durchgeführten Operation für erforderlich hält.
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In dem erfindungsgemäßen Roboter wird die Veränderung der Nachgiebigkeit durch die Einstellung von pneumatischen Aktuatoren über die Kompression von Luft in diesen Aktuatoren erreicht. Das heißt, die Nachgiebigkeit wird über eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften der jeweiligen pneumatischen Aktuatoren verändert und beruht nicht auf einer komplexen Bewegungssteuerung, bei der die Nachgiebigkeit während der Bewegung durch eine Steuereinheit generiert wird, was den Nachteil aufweist, dass die Steuereinheit im Falle von unerwarteten Kollisionen nicht schnell genug reagiert und die erforderliche Gegenkraft einstellt.
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Die Verwendung von pneumatischen Aktuatoren in dem erfindungsgemäßen Roboter weist den weiteren Vorteil auf, dass zur Roboterbewegung keine aufwändigen Kraft-Umsetzungs-Mechanismen, wie z. B. Getriebe, implementiert werden müssen. Ferner kann gegebenenfalls auf die Verwendung von speziellen Kraftsensoren zur Erfassung der durch den Roboter ausgeübten Kraft verzichtet werden, denn die ausgeübte Kraft kann in einfacher Weise über die Erfassung einer Druckdifferenz festgestellt werden. Gegebenenfalls besteht dabei die Möglichkeit, dass gefährliche Krafterhöhungen dem Benutzer rückgemeldet werden. Beispielsweise kann die Bewegungs-Befehlseinheit MO der 3 als haptisches Steuergerät ausgebildet sein, wobei im Falle einer starken Krafterhöhung ein haptisches Signal in der Form eines Widerstands durch die Bewegungs-Befehlseinheit ausgegeben wird.
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Im erfindungsgemäßen Roboter ist ferner ein zusätzliches Sicherheitsmerkmal in den pneumatischen Aktuatoren in der Form einer Sicherheits-Ventilanordnung implementiert, welches einen Druckausgleich im pneumatischen Aktuator bei einem starken Druckunterschied ermöglicht. Übt beispielsweise der Benutzer versehentlich eine zu hohe Kraft auf menschliches Gewebe aus, stellen die Sicherheitsventile sicher, dass ein Druckausgleich stattfindet und damit die ausgeübte Kraft begrenzt wird. Die Realisierung einer solchen Kraftbegrenzung ist bei der Verwendung von elektrischen Antrieben zur Roboterbewegung wesentlich komplexer. Darüber hinaus ist die Betätigung des Roboters durch pneumatische Aktuatoren wesentlich einfacher realisierbar als eine Roboterbewegung basierend auf elektrischen Antrieben.
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Die im Roboter verwendeten pneumatischen Aktuatoren sind zumindest teilweise als künstliche pneumatische Muskeln ausgeführt, welche einfache Bauteile sind, die kein Getriebe zur Kraftumsetzung benötigen. Pneumatische Muskeln bestehen dabei aus synthetischen Materialien, welche mit Luft gefüllt werden, und weisen ein wesentlich geringeres Gewicht als entsprechende elektrische Antriebe auf. Die pneumatischen Muskeln sind zum Aufrechterhalten von Druck gekapselt, so dass der gesamte Roboter ohne Beschädigung von inneren Bauteilen einfach sterilisiert werden kann. Darüber hinaus benötigt der Roboter keine kontinuierliche Druckluftzufuhr, um ihn bei Belastung in Position zu halten, denn der aktuelle Luftdruck in den Muskeln kann über das Schließen von Ventilen aufrecht erhalten werden. Demgegenüber benötigen elektrische Antriebe dauerhaft Strom zum Beibehalten ihrer Position, selbst im stationären Zustand.
