DE102012110193A1

DE102012110193A1 - Haltevorrichtung zum lösbaren Befestigen eines Roboters

Info

Publication number: DE102012110193A1
Application number: DE201210110193
Authority: DE
Inventors: Bernd Gombert; Patrick Rothfuss
Original assignee: MIS ROBOTICS GmbH; MIS-ROBOTICS GmbH
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: DE102012110193B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung (9) zum lösbaren Befestigen eines Roboters (29), mit einem Roboteranschluss (20) für den Roboter (29). Gemäß der Erfindung ist ferner ein Schnellspannmechanismus (31) vorgesehen, mittels dessen die Haltevorrichtung (9) an einer Schiene (28) befestigt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung zum lösbaren Befestigen eines Roboters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Chirurgische Eingriffe am menschlichen Körper, insbesondere im Bereich der minimal invasiven Chirurgie, werden heute in zunehmendem Maße mit Unterstützung von Chirurgierobotern durchgeführt. Je nach Art des Eingriffs können die Chirurgieroboter dabei mit verschiedenen chirurgischen Instrumenten, wie z.B. Endoskopen, Trokaren, Schneid-, Greif- oder Nähinstrumenten bestückt sein. Die Instrumente werden dann mittels eines oder mehrerer Roboter über kleine künstliche Öffnungen in den Körper des Patienten eingeführt, und in einem Hohlraum des Körpers der Eingriff durchgeführt. Der bzw. die Chirurgieroboter werden dabei von einem Chirurgen und gegebenenfalls auch von einem Assistenten über eine Eingabevorrichtung gesteuert.
Die einzelnen Roboter des Robotersystems sind in der Regel direkt an einem speziell dafür ausgebildeten Operationstisch angebracht, wie er z.B. in der WO 2009/104852 A1 beschrieben ist. Problematisch an dem dort beschriebenen Robotersystem ist aber, dass die einzelnen Roboter nur relativ schwer ausgetauscht werden können und dass das Austauschen darüber hinaus sehr langwierig ist. Bei einem Fehler des Robotersystems müsste daher die Operation relativ lange unterbrochen oder auf herkömmliche Weise, ohne Roboterunterstützung, fortgesetzt werden. Auch in der US 2009/163928 ist ein Chirurgieroboter beschrieben, der fester Bestandteil eines Operationstisches ist und somit die gleichen Nachteile aufweist, wie zuvor beschrieben wurde.
Die JP 2003/299674 offenbart einen Operationstisch, um den ringsherum eine Kulissenführung vorgesehen ist, an der Chirurgieroboter aufgesetzt werden können, die über eine entsprechende Kulisse verfügen. Sowohl der Operationstisch als auch die Chirurgieroboter müssen dazu entsprechend ausgerüstet sein; außerdem ist der Befestigungsmechanismus nicht universell einsetzbar.
Schließlich offenbart die US 8,146,874 eine verstellbare Platte, die an unterschiedlichen Operationstischen befestigt werden kann. Die Montage der Platte am Operationstisch wird dabei manuell über Schraubverschlüsse vorgenommen. An der Platte können dann weitere Gegenstände, wie z.B. Chirurgieroboter oder andere Instrumente angebracht werden, so dass diese Gegenstände über die Platte mit dem Operationstisch verbunden sind. Eine solche Platte hat den Vorteil, dass die daran befestigten Gegenstände relativ schnell ausgetauscht werden können. Der Befestigungsmechanismus der Platte ist jedoch relativ kompliziert. Darüber hinaus kann sie nur an speziell dafür ausgestatte Operationstische geschraubt werden und ist daher nicht universell einsetzbar.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Haltevorrichtung zum lösbaren Befestigen eines Roboters, insbesondere eines Chirurgieroboters, an einer Schiene zu schaffen, die einfach und schnell an der Schiene befestigt werden kann und darüber hinaus möglichst auch einen schnellen Austausch des daran befestigten Roboters erlaubt.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird eine Haltevorrichtung zum lösbaren Befestigen eines Roboters an einer Schiene vorgeschlagen, die einen mechanischen Anschluss für den Roboter und ferner einen Schnellspannmechanismus zum Befestigen der Haltevorrichtung an der Schiene umfasst. Der Schnellspannmechanismus ermöglicht ein einfaches und schnelles Montieren der Haltevorrichtung an einer Schiene. Im Fehlerfall kann somit eine Operation innerhalb weniger Minuten fortgesetzt werden.
Schnellspannmechanismen im Sinne der Erfindung sind insbesondere – aber nicht ausschließlich – solche Mechanismen, die von Hand, ohne Werkzeug, bedient werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schnellspannmechanismus wenigstens einen beweglichen Backen und einen Spannhebel, mittels dessen der bewegliche Backen festgespannt werden kann. Der Spannhebel ist beispielsweise über ein Gelenk mit einer Gewindestange verbunden, die durch den beweglichen Backen hindurch in ein Gegenstück geschraubt ist. Wenn der Spannhebel von Hand aus einer gelösten in eine zugespannte Position geschwenkt wird, drückt ein am Spannhebel befindlicher Exzenternocken gegen den beweglichen Backen und spannt diesen fest. Anstelle eines Spannhebels mit Exzenternocken können auch beliebige andere aus dem Stand der Technik bekannte Schnellspannmechanismen eingesetzt werden, um die Haltevorrichtung an einer Schiene zu befestigen.
In Bezug auf die Befestigung des Roboters an der Haltevorrichtung kann der Roboter z.B. mittels Schrauben befestigt werden. In diesem Fall umfasst die Haltevorrichtung beispielsweise ein oder mehrere Bohrungen, die gegebenenfalls auch ein Gewinde aufweisen können. Der mechanische Anschluss für den Roboter ist aber vorzugsweise als Schnellverbindungsmechanismus ausgebildet.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann der Schnellverbindungsmechanismus für den Roboter beispielsweise als Zapfen/Exzentermutter-Mechanismus ausgebildet sein. Ein solcher Mechanismus ist z.B. aus dem Bereich der Möbelverbinder bekannt und umfasst einen Zapfen mit einem verjüngten Abschnitt und einem breiteren Kopf, der an einem der zu verbindenden Teile angeordnet ist, sowie eine geschlitzte Exzentermutter, die im anderen Teil angeordnet ist und in die der Zapfen eintaucht, wenn die beiden Teile zusammengefügt werden. Im Innenraum der geschlitzten Exzentermutter befinden sich exzentrische Gleitflächen, die am Kopf des Zapfens angreifen und diesen anziehen, wenn die Exzentermutter gedreht wird. Je nach Ausführung kann z.B. eine Drehung um 90° oder 180° ausreichen, um die beiden Elemente miteinander zu verbinden. Die erfindungsgemäße Halterung kann somit je nach Ausführung z.B. einen Zapfen oder eine Exzentermutter eines solchen Schnellverbindungsmechanismus umfassen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der Schnellverbindungsmechanismus zum Befestigen eines Roboters an der Haltevorrichtung beispielsweise als Rastmechanismus mit mehreren beweglichen Einrastmitteln, insbesondere Zapfen ausgebildet sein. Der Rastmechanismus kann z.B. mehrere entlang eines Umfangs eines ersten Elements – d.h. z.B. des Roboterfußes oder der Haltevorrichtung – angeordnete Zapfen umfassen, die im Wesentlichen quer zu einer Steckrichtung zeigen, in der der Roboter auf bzw. in die Haltevorrichtung gesteckt wird. Das andere Element umfasst korrespondierende Öffnungen, in denen die Rastmittel einrasten. Die Rastmittel, insbesondere Zapfen, sind vorzugsweise zwischen einer eingerasteten Position, in der sie nach außen vorstehen, und einer gelösten Position, in der sie zurückgezogen sind, beweglich. Die Rastmittel sind vorzugsweise in Richtung der eingerasteten Position vorgespannt. Zum Lösen des Rast- bzw. Zapfenmechanismus ist vorzugsweise ein manuell betätigbares Bedienelement vorgesehen, wie z.B. ein Druckknopf oder ein Schieber, mittels dessen die Zapfen gelöst und/oder eingefahren werden können. Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung kann je nach Ausführung z. B. wenigstens einen Rastzapfen und/oder wenigstens eine korrespondierende Rastöffnung aufweisen. Andere bekannte Rastmechanismen sind gleichfalls realisierbar.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung kann der Schnellverbindungsmechanismus zum Befestigen eines Roboters an der Haltevorrichtung eine an einem der Elemente – d.h. dem Roboter oder der Haltevorrichtung – angeordnete Überwurfmutter aufweisen, die mit einem am anderen Element angeordneten Gewinde zusammenwirkt. Die Überwurfmutter kann beispielsweise auf einer Seite einen umlaufenden Rand aufweisen, der gegen einen am selben Element vorgesehenen Flansch stößt, wenn die Überwurfmutter auf das korrespondierende Gewinde geschraubt wird. Somit kann eine Zugkraft ausgeübt werden, die die beiden Elemente gegeneinander presst. Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung kann je nach Ausführung einen Teil eines solchen Mechanismus, z.B. eine Überwurfmutter oder ein korrespondierendes Gewinde aufweisen.
Durch Abnutzung oder Fertigungstoleranzen kann es vorkommen, dass das Spannelement des Schnellspannmechanismus zum Befestigen der Haltevorrichtung an einer Schiene (erster Schnellverbindungsmechanismus), wie z.B. ein Spannhebel, in unterschiedlichen Positionen zu liegen kommt, wenn der Mechanismus zugespannt ist. Wenn das Spannelement dabei über die Haltevorrichtung vorsteht, besteht die Gefahr, dass der Mechanismus versehentlich gelöst wird. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind daher Mittel zur Feinjustierung vorgesehen, mit denen z. B. der Abstand eines Backens von der Schiene, in Richtung der vom Mechanismus ausgeübten Kraft, eingestellt werden kann. Die Mittel zur Feinjustierung können beispielsweise eine Schraube umfassen, die in eine durch den beweglichen Backen hindurch gehende Bohrung geschraubt ist, und deren Überstand auf der der Schiene zugewandten Seite eingestellt werden kann.
Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung kann auch einen austauschbaren Adapter aufweisen, mittels dessen der mechanische Anschluss für den Roboter an verschiedene Roboterfußgeometrien angepasst werden kann. Alternativ kann ein solcher Adapter auch dazu genutzt werden, die Arbeitshöhe des Roboters einzustellen. In diesem Fall können z.B. verschiedene Adapter unterschiedlicher Länge vorgesehen sein, die nach Wunsch eingesetzt werden können. Der Adapter ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er formschlüssig in die Haltevorrichtung passt. Der Adapter kann z.B. an der Haltevorrichtung festgeschraubt sein oder lediglich ein loses Zwischenstück bilden, das zwischen der Haltevorrichtung und dem Roboterfuß eingespannt wird.
Der Roboteranschluss und / oder der Adapter können vorteilhafterweise mindestens ein Sensorelement aufweisen, das dazu ausgebildet ist, mindestens eine Kraft und / oder ein Moment und / oder eine Beschleunigung zu ermitteln, das der Roboter auf die Haltevorrichtung ausübt. Vorzugsweise ist das Sensorelement dazu ausgelegt, in bzw. um die drei räumlichen Koordinaten x, y, z eines kartesischen Koordinatensystem wirkende Kräfte und / oder Momente und / oder Beschleunigungen zu ermitteln. Somit können die vom Sensorelement ermittelten Daten genutzt werden, um z.B. Schwingungen oder (Massen-)Trägheitsmomente des Roboters räumlich zu bestimmen. Eine Eigenbewegung der Haltevorrichtung kann somit durch eine entsprechende Gegenbewegung des Roboters kompensiert werden. In diesem Fall ist die Robotersteuerung derart ausgelegt, dass sie den Roboter in Abhängigkeit von der Bewegung der Haltevorrichtung ansteuert, um deren Bewegung zumindest teilweise zu kompensieren.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann der mechanische Anschluss bzw. der Adapter auch höhenverstellbar ausgebildet sein. Der mechanische Anschluss bzw. Adapter kann z.B. einen Teleskopmechanismus umfassen.
Die Richtung, in der ein Roboter in oder auf den mechanischen Anschluss der Haltevorrichtung ein- bzw. aufgesetzt wird, ist vorzugsweise dieselbe Richtung, wie die vom Schnellspannmechanismus ausgeübte Klemmkraft.
Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung umfasst vorzugsweise auch eine elektrische Schnittstelle zum elektrischen Kontaktieren des Roboters. Die elektrische Schnittstelle kann z. B. im Bereich des mechanischen Anschlusses angeordnet sein, so dass bei einer Befestigung des Roboters an der Haltevorrichtung gleichzeitig auch ein elektrischer Kontakt hergestellt wird.
Darüber hinaus kann auch der Schnellspannmechanismus eine elektrische Schnittstelle zum Kontaktieren der Schiene aufweisen. Wenn beispielsweise auf der Schiene oder einem einsteckbaren Flachbandkabel eine Niederspannung von z.B. 12V oder 24V geführt wird, kann diese Spannung für den Betrieb des Roboters abgegriffen werden. Darüber hinaus können über die Schiene oder Flachbandkabel auch Steuerbefehle zur Steuerung des Roboters übertragen werden (Power Line Communication).
Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein Roboter nur in einer vorgegebenen Position ein- bzw. aufgesetzt werden kann. Zu diesem Zweck umfasst die Haltevorrichtung vorzugsweise Zentriermittel, wie z.B. einen Zentrierstift oder -vorsprung und/oder eine korrespondierende Ausnehmung. Somit kann der Roboter nur in einer oder mehreren bestimmten Positionen auf die Haltevorrichtung aufgesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Haltevorrichtung einen mittels eines Deckels verschließbaren Bauraum. In diesem Bauraum kann beispielsweise eine Elektronik des Roboters und/oder eine Kommunikationsschnittstelle, neben anderen Komponenten, untergebracht werden.
Von dieser Elektronik kann z.B. ein Leuchtmittel (z.B. LED) angesteuert werden, das den Status des Roboters signalisiert. Das Leuchtmittel kann an einer beliebigen Stelle an der Haltevorrichtung angebracht werden. Vorteilhafterweise ist dieses Leuchtmittel auch in dem abgeschlossenen Bauraum integriert, um z.B. über einen halbtransparenten Deckel den Status des Roboters anzuzeigen. So kann ein fehlerhafter Roboter mit einer rot angeleuchteten Abdeckung angezeigt werden und funktionsfähige Roboter durch grün schimmernde Abdeckungen.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst der erste Schnellverbindungsmechanismus einen hakenförmigen Abschnitt, der die Schiene formschlüssig umgreift und mittels dessen die Haltevorrichtung in einer stabilen Position, z.B. waagrecht, an die Schiene gehängt werden kann.
Die Schiene hat vorzugsweise ein kantiges Profil, z. B. ein Vierkantprofil. In diesem Fall hat der genannte hakenförmige Abschnitt des ersten Schnellverbindungsmechanismus vorzugsweise auch ein kantiges Gegenprofil, das an die Außenkontur der Schiene angepasst ist. Dadurch kann die Haltevorrichtung stabil an die Schiene gehängt werden, ohne zu verschwenken.
Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung umfasst vorzugsweise eine Anlage- oder Stützfläche, mit der sie sich an dem Gegenstand, an dem die Schiene montiert ist, abstützt. Dadurch kann ein durch den Roboter verursachtes Torsionsmoment auf den Gegenstand übertragen und somit die Schiene entlastet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Haltevorrichtung für einen Roboter mit zwei Spannhebeln in perspektivischer Ansicht von unten;
2 die Haltevorrichtung von 1 in perspektivischer Ansicht von oben;
3 eine seitliche Schnittansicht der Haltevorrichtung der 1 und 2;
4 einen Ausschnitt einer Haltevorrichtung mit einem Befestigungsmechanismus für einen Roboter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 einen Ausschnitt einer Haltevorrichtung mit einem Befestigungsmechanismus für einen Roboter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6 einen Ausschnitt einer Haltevorrichtung mit einem Befestigungsmechanismus für einen Roboter gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
7 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung mit einem Adapter und einem daran befestigten Roboter;
8 eine perspektivische Ansicht eines Operationstisches mit seitlich angeordneten Schienen, an denen ein Chirurgieroboter befestigt ist; und
9 eine perspektivische Ansicht eines Operationstisches und eines an der Decke aufgehängten Gerüsts, an dem ein Chirurgieroboter 29 befestigt ist.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 bis 3 zeigen verschiedene Ansichten einer Haltevorrichtung 9 zum lösbaren Befestigen eines Roboters 29 an einer Schiene 28. Dabei ist in 1 eine perspektivische Ansicht von unten, in 2 eine perspektivische Ansicht von oben und in 3 eine seitliche Schnittansicht der Haltevorrichtung dargestellt.
Die Haltevorrichtung 9 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Grundkörper 10 mit einem mechanischen Anschluss 22 zum Befestigen eines Roboters 29, sowie einen Schnellspannmechanismus 31, mittels dessen die Haltevorrichtung 9 an einer Schiene 28 befestigt werden kann.
Der Grundkörper 10 hat einen seitlich angeordneten, zahnförmigen Abschnitt 11, der die Schiene 28 formschlüssig umgreift und der vorzugsweise einstückig mit dem Grundkörper 10 gebildet ist. Die Schiene 28 ist hier als Vierkant ausgebildet. Der zahnförmige Abschnitt 11 hat an seiner Innenseite ein kantiges Profil 12, das an das Profil der Schiene 28 angepasst ist. Durch diese Konstruktion ist es möglich, die Haltevorrichtung 9 einfach auf die Schiene aufzusetzen und in einer stabilen Position aufzuhängen, ohne dass sie sich um die Schiene 28 verdreht.
Auf der dem zahnförmigen Abschnitt 11 gegenüberliegenden Seite sind zwei bewegliche Backen 14 angeordnet, die mittels jeweils eines Spannhebels 15 gegen die Schiene 28 gespannt werden können. Die Schiene 28 wird dadurch zwischen dem zahnförmigen Abschnitt 11 und den beiden Backen 14 festgeklemmt. Die beweglichen Klemmbacken 14 weisen vorzugsweise ebenfalls einen zahnförmigen Abschnitt auf, der die Schiene 28 formschlüssig umgreift. Die Backen 14 haben dabei ein kantiges Innenprofil 12, das an das Profil der Schiene 28 angepasst ist.
Zum Öffnen bzw. Schließen des Schnellverschlussmechanismus 31 sind zwei Spannhebel 15 vorgesehen, die jeweils um eine Achse schwenkbar gelagert sind. Die beiden Spannhebel 15 haben jeweils einen Exzenternocken 18, der sich gegen die Außenfläche der Klemmbacken 14 abstützt und der bei einer Schwenkbewegung in die zugespannte Position, wie dargestellt, gegen die Klemmbacken 14 drückt und damit die Schiene 28 einklemmt. Die Spannhebel 15 sind jeweils über ein Gelenk mit einer Gewindestange 45 verbunden, die durch eine in den Klemmbacken 14 vorgesehene Öffnung hindurch gesteckt und in einer im Grundkörper 10 vorgesehenen Gewindebohrung verschraubt ist.
Die von den Spannhebeln 15 ausgeübte Klemmkraft lässt sich durch ein mehr oder weniger tiefes Einschrauben der Gewindestangen 45 in den Grundkörper 10 einstellen. Im zugespannten Zustand zeigen die Spannhebel 15 in der Regel in eine beliebige Richtung. Um die Spannhebel 15 immer in einer vorgegebenen Richtung, z.B. in Längsrichtung der Schiene 28, anordnen zu können, umfasst die Haltevorrichtung vorzugsweise Mittel zur Feinjustierung, mit denen der im zugespannten Zustand bestehende Abstand der beweglichen Backen 14 vom Abschnitt 11 eingestellt werden kann. Die Mittel zur Feinjustierung umfassen im vorliegenden Ausführungsbeispiel mehrere Stellschrauben 19, die in jeweils einer durch die Backen 14 hindurch gehenden Gewindebohrung angeordnet sind und die durch mehr oder weniger tiefes Einschrauben mehr oder weniger weit in Richtung der Schiene 28 vorstehen können. Mit Hilfe der Stellschrauben 19 ist es daher möglich, die vom Schnellspannmechanismus 31 eingespannte Länge zu variieren und somit die Spannhebel 15 immer in derselben Stellung umlegen zu können.
Die Klemmbacken 14 und/oder der zahnförmige Abschnitt 11 ragen vorzugsweise so weit in seitlicher Richtung (in 3 nach links) hinaus, dass sich wenigstens eine der Seitenflächen 17 der Klemmbacken 14 bzw. des zahnförmigen Abschnitts 11 an einem anderen Gegenstand, wie z.B. einem Operationstisch, abstützen können. Die seitlichen Anlageflächen 17 sind vorzugsweise an die Oberfläche des Gegenstands angepasst. Durch diesen Abstützmechanismus muss das von der Haltevorrichtung ausgeübte Torsionsmoment nicht von der Schiene 28 aufgenommen werden, sondern kann direkt am jeweiligen Befestigungsgegenstand, wie z.B. dem Operationstisch, abgestützt werden.
Ein Vorteil des Schnellspannmechanismus 31 ist, dass dieser von Hand, ohne Werkzeug, betätigt werden kann, und dass aufgrund der Hebelwirkung des Exzenters 18 hohe Schließkräfte erzeugt werden können. Nach dem Öffnen der Spannhebel 15 kann die Haltevorrichtung 9 außerdem entlang der Schiene 28 verstellt oder ausgewechselt werden.
Die Haltevorrichtung 9 dient zugleich als Anschlussstück für einen Roboter 29 und umfasst einen entsprechenden Roboteranschluss 20. Dieser umfasst einen mechanischen Anschluss 22 zum lösbaren Befestigen eines Roboters 29. Der Roboteranschluss 20 kann ferner einen elektrischen Anschluss 21 umfassen, über den der Roboter 29 mit elektrischer Energie versorgt und / oder Signale, z.B. zur Steuerung des Roboters 29, übertragen werden können. Der elektrische Anschluss 21 kann beispielsweise als Steckerplatine ausgebildet sein, für die der Roboter 29 ein passendes Steckergegenstück enthält. Der elektrische Anschluss 21 befindet sich vorzugsweise im Bereich des mechanischen Anschlusses 22, so dass der elektrische Kontakt gleichzeitig mit dem Befestigen des Roboters 29 an der Haltevorrichtung 9 hergestellt wird.
Der Roboteranschluss 20 kann beispielsweise einen Adapter 23 aufweisen, mittels dessen Roboter 29 unterschiedlicher Bauart oder Größe an der Haltevorrichtung 9 befestigt werden können. Wie in 3 gezeigt, ist es möglich, dass der Adapter 23 mit dem mechanischen Anschluss 22 und / oder mit dem elektrischen Anschluss 21 eine bauliche Einheit bildet. Somit ist es möglich, die Schnittstelle zwischen Haltevorrichtung 9 und Roboter 29 individuell über verschiedene Adapter 23 anzupassen, unabhängig davon, wie die elektrische oder mechanische Schnittstelle des Roboters 29 ausgebildet ist. D.h. es können beispielsweise verschiedene Adapter 23 vorgesehen sein, mittels derer der mechanische und/oder elektrische Anschluss an verschiedene Roboterbauarten angepasst werden kann.
Darüber hinaus können auch Adapter 23 unterschiedlicher Höhe vorgesehen sein, mit denen die Arbeitshöhe des angeschlossenen Roboters 29 variiert werden kann. Der Roboteranschluss 20 oder der Adapter 23 können auch höhenverstellbar ausgebildet sein. Der Adapter 23 kann sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Schnittstelle aufweisen.
Der Roboteranschluss 20 und / oder der Adapter 23 können mindestens ein Sensorelement (13) aufweisen, das dazu ausgebildet ist, mindestens eine Kraft und / oder mindestens ein Moment und / oder mindestens eine Beschleunigung zu ermitteln, welche der Roboter 29 auf die Haltevorrichtung 9 ausübt. Vorzugsweise ist das Sensorelement 13 geeignet, in bzw. um die drei räumlichen Koordinaten x, y, z wirkende Kräfte und / oder Momente und / oder Beschleunigungen zu ermitteln. Hierzu kann das Sensorelement (13) aus dem Stand der Technik bekannte Kraft-, Momenten und / oder Beschleunigungssensoren umfassen. Dreht der Roboter 29 beispielsweise um die x-Achse, so würde das Sensorelement 13 das Abstützmoment erfassen, mit dem sich der Roboter 29 an der Haltevorrichtung 9 abstützt. Die vom Sensorelement (13) ermittelten Daten können schließlich dazu genutzt werden, um z.B. Schwingungen oder (Massen-)Trägheitsmomente des Roboters 29 zu bestimmen, oder um die Bewegung der Haltevorrichtung steuerungs- oder regelungstechnisch durch eine entsprechende Gegenbewegung des Roboters zu kompensieren.
Der Roboteranschluss 20 umfasst in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem eine Zentriervorrichtung 47, die sicherstellt, dass der Roboter 29 nur in einer bestimmten Position auf die Haltevorrichtung 9 aufgesetzt werden kann. Die Zentriervorrichtung 47 umfasst hier eine am mechanischen Anschluss 22 bzw. am Adapter 23 vorgesehene Ausnehmung, in die ein am Roboter 29 vorgesehener Zentriervorsprung eingreift. Die umgekehrte Anordnung ist natürlich gleichermaßen realisierbar. Wahlweise könnte auch ein Zentrierstift oder eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Zentriervorrichtung 47 vorgesehen sein.
Die Haltevorrichtung 9 hat ferner einen Hohlraum 24, der als Bauraum genutzt werden kann. Der Hohlraum 24 ist mittels eines Deckels 25 verschließbar. Im Hohlraum 24 kann beispielsweise eine Elektronik des Roboters 29 und/oder eine Kommunikationsschnittstelle untergebracht werden. In dem Deckel 25 kann z.B. eine Kabeldurchführung mit einer integrierten Zugentlastung 27 vorgesehen sein, über die die elektrische Verkabelung für den elektrischen Anschluss 21 nach außen geführt wird. Der Deckel 25 und/oder die Zugentlastung 27 können mittels einer Schraube 26 befestigt werden.
Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Sensorelement 13 an die Elektronik bzw. an die elektrische Schnittstelle 21 angeschlossen, so dass die von dem Sensorelement 13 ermittelten Daten von einem an die Haltevorrichtung 9 angeschlossenen Roboter 29 zu dessen Steuerung genutzt werden können.
In dem Hohlraum 24 kann z.B. auch eine Funk-Schnittstelle untergebracht sein, über die für den Roboter 29 bestimmte Steuerbefehle kabellos übertragen werden können. Die elektrische Energieversorgung und/oder die Kommunikationssignale des Roboters 29 können alternativ auch über die Schiene 28 geleitet werden. In diesem Fall umfasst der Schnellspannmechanismus 31 vorzugsweise einen elektrischen Kontakt, über den die elektrische Energie und/oder die Kommunikationssignale abgegriffen und an einen elektrischen Anschluss 21 weitergeleitet werden.
Von der Elektronik 54 kann z.B. ein Leuchtmittel (z.B. LED) 55 angesteuert werden, das den Status des Roboters 29 signalisiert. Das Leuchtmittel 55 kann an einer beliebigen Stelle an der Haltevorrichtung 9 angebracht werden. Vorteilhafterweise ist dieses Leuchtmittel 55 auch in dem Bauraum 24 integriert, um z.B. über einen halbtransparenten Deckel 25 den Status des Roboters 29 anzuzeigen. So kann ein fehlerhafter Roboter 29 mit einer rot angeleuchteten Abdeckung 25 angezeigt werden und funktionsfähige Roboter 29 durch grün schimmernde Abdeckungen 25.
Der Roboter 29 kann, z.B. von unten durch Bohrungen 48, mit der Haltevorrichtung 9 verschraubt werden. Zum Anschluss des Roboters 29 an die Haltevorrichtung 9 weisen der Roboteranschluss 20 und / oder der Roboterfuß jedoch vorzugsweise einen Schnellverbindungsmechanismus 51 auf, wie er beispielhaft in den 4 bis 6 gezeigt ist.
4 zeigt eine erste Ausführungsform eines Schnellverriegelungsmechanismus 51 mit einem Zapfen 32 und einer geschlitzten Exzentermutter 33. Der Zapfen 32 ist hier in den Roboterfuß eingeschraubt und umfasst einen verjüngten Abschnitt 34 und einen verbreiterten Kopf 35. Die Exzentermutter 33 umfasst eine Öffnung 36, in die der Kopf 35 eintaucht, wenn der Roboter 29 auf die Haltevorrichtung 9 gesteckt wird. Durch eine Drehung der Exzentermutter 33 wird der Zapfen 32 angezogen und die beiden Teile miteinander verbunden. Die Exzentermutter 33 hat hierzu einen mit der Öffnung 36 in Verbindung stehenden Schlitz 37, an dessen Innenseite Anlageflächen 39 ausgebildet sind, die einen exzentrischen Verlauf haben und den Zapfen 32 mit zunehmender Drehung der Exzentermutter 33 stärker anziehen. Die Längsachse der Exzentermutter 33 ist mit L und die Symmetrieachse der exzentrisch angeordneten Anlageflächen 37 mit K bezeichnet. Die Exzentermutter 33 hat vorzugsweise einen manuell betätigbaren Hebel 50, mittels dessen der Schnellverriegelungsmechanismus 51 bedient werden kann. Wahlweise könnte die Exzentermutter 33 aber auch mittels eines Werkzeugs betätigt werden.
Die Exzentermutter 33 umfasst in diesem Beispiel ferner eine Öffnung 38, in die z.B. eine Schraube eingeschraubt werden kann, um den Schnellverriegelungsmechanismus 51 festzustellen. Andere Feststellmechanismen sind gleichermaßen realisierbar.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Schnellverriegelungsmechanismus 51 für den Roboter 29. Der Schnellverriegelungsmechanismus 51 umfasst hier mehrere nach außen vorstehende Einrastmittel, insbesondere Zapfen 40, die am Umfang des Roboterfußes beweglich angeordnet sind. Die Einrastmittel 40 zeigen dabei im Wesentlichen quer zu einer Steckrichtung A, in der der Roboter 29 auf die Haltevorrichtung 9 gesteckt wird. Die Haltevorrichtung 9 hat in diesem Fall korrespondierende Öffnungen, in denen die Einrastmittel 40 einrasten, wenn der Roboter 29 aufgesetzt wird.
Die Einrastmittel 40 sind beweglich gelagert und können zwischen einer ausgefahrenen Position (wie dargestellt) und einer zurückgezogenen Position bewegt werden. Die Einrastmittel 40 sind vorzugsweise in Richtung ihrer ausgefahrenen Position elastisch vorgespannt. Am Roboterfuß ist ferner ein manuell betätigbares Element 41, wie z.B. ein Druckknopf oder Schieber vorgesehen, mittels dessen die Rastverbindung gelöst werden kann. Das Element 41 ist über einen Mechanismus mit den Einrastmitteln 40 verbunden. Durch Betätigen des Elements 41 können die Einrastmittel 40 z.B. in ihre eingezogene Position bewegt werden.
Am unteren Ende des Roboterfußes ist ferner ein elektrischer Anschluss 16 mit mehreren Kontakten dargestellt, der z.B. als Gegenstecker zum elektrischen Anschluss 21 der Haltevorrichtung 9 ausgebildet sein kann.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Roboteranschlusses 20 zum Befestigen eines Roboters 29 an der Haltevorrichtung 9. Der Roboteranschluss 20 umfasst in diesem Fall eine Überwurfmutter 42, die über dem Roboterfuß in Aufsteckrichtung A gleitend angeordnet ist. Die Überwurfmutter 42 umfasst einen umlaufenden Rand 52, der sich an einem am Roboterfuß vorgesehenen Flansch 44 abstützen kann. Nach dem Aufsetzen des Roboters 29 wird die Überwurfmutter 42 mit einem an der Haltevorrichtung 9 ausgebildeten Gewindestutzen 43 verschraubt und somit der Roboter 29 an der Haltevorrichtung 9 befestigt. Am Roboterfuß kann ferner ein elektrischer Anschluss 16 integriert sein, der mit einem im Gewindestutzen 43 befindlichen elektrischen Anschluss 21 in Kontakt kommt, wenn der Roboterfuß auf die Haltevorrichtung 9 aufgesetzt wird.
7 zeigt eine Haltevorrichtung 9, auf der ein Roboter 29 montiert wurde. Der Roboter 29 ist hier über einen Adapter 23 mit der Haltevorrichtung 9 verbunden. Im Vergleich zu 2 ist der Adapter 23 deutlich länger ausgebildet und ragt über die Haltevorrichtung 9 nach oben hervor, wodurch der Roboter 29 eine höhere Arbeitshöhe aufweist. Grundsätzlich können verschiedene Adapter 23 unterschiedlicher Höhe vorgesehen sein, mit denen die Arbeitshöhe des Roboters nach Wunsch eingestellt werden kann. Wahlweise könnte der Roboteranschluss 20 bzw. Adapter 23 auch höhenverstellbar ausgebildet sein.
8 zeigt eine Gesamtansicht eines Roboters 29, der mittels einer Haltevorrichtung 9 an einem Operationstisch 1 befestigt ist. Am Operationstisch 1 sind seitlich mehrere Schienen 28 montiert, an denen die Haltevorrichtung 9 festgeklemmt werden kann. Damit die Schienen 28 durch das vom Roboter 29 ausgeübte Biegemoment nicht verbogen oder beschädigt werden, kann sich die Haltevorrichtung 9 beispielsweise mittels ihrer seitlichen Anlageflächen 17 (siehe 3) an einer gegenüberliegenden Fläche 30 des Operationstisches 1 abstützen.
9 zeigt eine alternative Befestigungsmöglichkeit für einen Roboter 29. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Roboter 29 an einem Deckengerüst 53 mit Schienen 28 montiert. Das Deckengerüst befindet sich unmittelbar oberhalb eines Operationstisches 1, so dass der Roboter 29 für chirurgische Eingriffe eingesetzt werden kann.
Ein Roboter 29 könnte alternativ auch an jedem anderen Gegenstand mit wenigstens einer (standardisierten) Schiene 28 befestigt werden, wie z.B. an einer Reling oder an einem Schrank, Tisch, etc.. Der Roboter 29 kann somit sehr flexibel eingesetzt werden. Bei Bedarf kann auch der Befestigungsort des Roboters 29 mittels des Schnellspannmechanismus 31 schnell verändert werden. Bei einer kabellosen Ausführung entfällt auch ein möglicherweise notwendiges Umstecken der elektrischen Versorgung bzw. Kommunikationsverbindung, was den Bedienkomfort zusätzlich steigert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/104852 A1 [0003]
US 2009/163928 [0003]
JP 2003/299674 [0004]
US 8146874 [0005]

Claims

Haltevorrichtung (9) zum lösbaren Befestigen eines Roboter (29), mit einem Roboteranschluss (20) für den Roboter (29), dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (9) ferner einen Schnellspannmechanismus (31) zum Befestigen der Haltevorrichtung (9) an einer Schiene (28) umfasst.
Haltevorrichtung (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellspannmechanismus (31) wenigstens einen beweglichen Backen (14) und einen Spannhebel (15) aufweist, der um eine Achse schwenkbar ist und mittels dessen der bewegliche Backen (14) festgespannt werden kann.
Haltevorrichtung (9) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannhebel (15) einen Exzenternocken (18) aufweist.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboteranschluss (20) einen mechanischen Anschluss (22) für den Roboter (29) umfasst, der einen Schnellverbindungsmechanismus (51) aufweist.
Haltevorrichtung (9) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Anschluss (22) für den Roboter (29) einen Teil eines als Zapfen/Exzentermutter-Mechanismus ausgebildeten Schnellverbindungsmechanismus (51) aufweist.
Haltevorrichtung (9) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen/Exzentermutter-Mechanismus einen Zapfen (32) mit einem verjüngten Abschnitt (34) und einem breiteren Kopf (35), sowie eine geschlitzte Exzentermutter (33) mit einer Öffnung (36) umfasst, in die der Zapfen (32) eintaucht und durch Verdrehen der Exzentermutter (33) angezogen wird.
Haltevorrichtung (9) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Anschluss (22) für den Roboter (29) einen Teil eines Rastmechanismus (51) aufweist, der mehrere entlang eines Umfangs eines ersten Elements (9, 29) angeordnete Einrastmittel (40) umfasst, die im Wesentlichen quer zu einer Steckrichtung (A) zeigen, in der der Roboter (29) in die Haltevorrichtung (9) gesteckt wird und die in korrespondierenden Öffnungen einrasten, die am anderen Element (9, 29) angeordnet sind.
Haltevorrichtung (9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrastmittel (40) vorgespannt sind.
Haltevorrichtung (9) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein manuell betätigbares Element (41) vorgesehen ist, mittels dessen die Rastverbindung gelöst werden kann.
Haltevorrichtung (9) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Anschluss (22) für den Roboter (29) einen Teil eines Schnellverbindungsmechanismus (51) aufweist, der eine an einem Element (9, 29) angeordnete Überwurfmutter (42) umfasst, die mit einem am anderen Element (9, 29) angeordneten Gewinde (43) zusammenwirkt.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellspannmechanismus (31) zum Befestigen der Haltevorrichtung (9) an einer Schiene (28) Mittel zur Feinjustierung (19) umfasst, mit denen der Abstand des beweglichen Backens (14) von der Schiene (28) in Richtung der vom Schnellverbindungsmechanismus (31) ausgeübten Kraft variiert werden kann.
Haltevorrichtung (9) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Feinjustierung (19) eine Schraube umfassen, die in eine durch den Backen (14) durchgehende Bohrung geschraubt ist und die auf der der Schiene (28) zugewandten Seite über den Backen (14) vorstehen kann.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboteranschluss (20) eine elektrische Schnittstelle (21) zum elektrischen Kontaktieren des Roboters (29) aufweist.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboteranschluss (20) einen lösbar befestigten Adapter (23) aufweist, mittels dessen der mechanische Anschluss (22) und / oder ein elektrischer Anschluss (21) an verschiedene Roboterfußschnittstellen angepasst werden kann.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Anschluss (22) und / oder ein Adapter (23) höhenverstellbar ausgebildet ist.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen mittels eines Deckels (25) verschließbaren Bauraum (24) umfasst, in dem eine Elektronik des Roboters (29) und/oder eine Kommunikationsschnittstelle angeordnet ist.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine elektrische Schnittstelle zum Kontaktieren der Schiene (28) aufweist.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Anlagefläche (17) aufweist, mit der sie sich an einem anderen Gegenstand abstützt, wenn sie montiert ist.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellspannmechanismus (31) zum Befestigen der Haltevorrichtung (9) an einer Schiene (28) einen hakenförmigen Abschnitt (11) aufweist, der die Schiene (28) formschlüssig umgreift und mittels dessen die Haltevorrichtung (9) auf die Schiene (28) gehängt werden kann.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Schnellspannmechanismus (31) ausgeübte Klemmkraft in eine Steckrichtung (A) wirkt, in der der Roboter (29) auf die Haltevorrichtung (10) gesteckt wird.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboteranschluss (20) und / oder ein Adapter (23) mindestens ein Sensorelement (13) aufweist, das mindestens eine vom Roboter (29) auf die Haltevorrichtung (9) ausgeübte Kraft und / oder ein Moment und / oder eine Beschleunigung ermittelt.
Haltevorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (55) aufweist, um den Status des Roboters (29) zu signalisieren.