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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Robotersystem, insbesondere für Anwendungen im Operationssaal.
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Roboter sind in der industriellen Fertigung seit vielen Jahren verbreitet, wo sie dank ihrer Fähigkeit, vorprogrammierte Arbeitsabläufe in kurzer Zeit beliebig oft zu reproduzieren, beträchtliche Rationalisierungen bei der Fertigung ermöglichen. Damit durch die schnellen Bewegungen dieser Roboter keine Personen verletzt werden können, sind derartige Industrieroboter im Einsatz im Allgemeinen von einem Käfig umgeben, der einen Zusammenstoß des Roboters mit Personen oder anderen Hindernissen ausschließt.
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Bei Robotern, die für den Einsatz im Operationssaal ausgelegt sind, kann der Kontakt mit Personen nicht durch einen Käfig verhindert werden. Zum Einen muss der Roboter zwangsläufig mit einem zu operierenden Patienten in Kontakt treten können, zum Anderen arbeitet der Roboter am Patienten in der Regel nicht allein, sondern zusammen mit medizinischem Personal. Da es bei einer Operation im Allgemeinen nicht auf schnelle Beweglichkeit des Roboters ankommt, kann die Wahrscheinlichkeit, dass Personal durch eine Bewegung des Roboters verletzt wird, minimiert werden, indem die Geschwindigkeit der Bewegungen des Roboters beschränkt wird. Unwillkürliche Bewegungen des Roboters, wenn dieser vom Personal oder auf andere Weise angestoßen wird, können jedoch auch den Patienten gefährden. Es besteht daher Bedarf nach einem Robotersystem, bei dem die Wahrscheinlichkeit, dass ein von außen erfahrener Stoß zu unwillkürlichen Bewegungen führt, minimiert ist.
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Um diesen Bedarf zu befriedigen, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung bei einem Robotersystem mit
- – einem Roboterarm mit einer Basis, einem in wenigstens einem Freiheitsgrad bewegbaren distalen Abschnitt und einem den distalen Abschnitt mit der Basis verbindenden Zwischenabschnitt und
- – einer Steuereinheit mit einer Schnittstelle, über die eine Sollstellung des distalen Abschnitts eingebbar ist, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, eine Stellung des Zwischenabschnitts so zu wählen, dass der distale Abschnitt die Sollstellung einnimmt,
eine gleiche Stellung des distalen Abschnitts mit verschiedenen Stellungen des Zwischenabschnitts realisierbar, und das Robotersystem weist ferner Mittel zum Erfassen einer Annäherung eines Fremdkörpers an den Zwischenabschnitt auf.
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Da eine gleiche Stellung des distalen Abschnitts mit verschiedenen Stellungen des Zwischenabschnitts realisierbar ist, kann im Falle der Annäherung eines Fremdkörpers der Zwischenabschnitt seine Stellung verändern, eine gleichzeitige Verlagerung des distalen Abschnitts aber vermieden werden. So kann der Roboterarm dem Kontakt mit dem Fremdkörper ausweichen, ohne dass der distale Abschnitt eine unerwünschte Bewegung ausführen muss.
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Um eine Anpassung an verschiedene durchzuführende Arbeiten zu ermöglichen, kann der Roboterarm ein an einer Halterung austauschbar montiertes Instrument umfassen.
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Einer ersten Ausgestaltung zufolge kann die Halterung zwar mit dem Zwischenabschnitt verbunden, selber aber (und mit ihr das daran montierte Instrument) Teil des distalen Abschnitts des Roboterarms sein. Da der distale Abschnitt als Ganzes einer Bewegung des Zwischenabschnitts zum Vermeiden des Kontakts mit einem Fremdkörper nicht folgt, bewegt sich als dessen Bestandteil auch das Instrument nicht, so dass eine Gefährdung des Patienten durch das Instrument selbst dann ausgeschlossen ist, wenn dieses in den Körper des Patienten eingeführt ist.
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Einer zweiten Ausgestaltung zufolge kann die Halterung zwei gegeneinander bewegliche, insbesondere teleskopisch bewegliche Komponenten umfassen, von denen die eine am Instrument angreift und wenigstens die andere Teil des Zwischenabschnitts ist.
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Wenn der Roboterarm ein Instrument mit wenigstens zwei gegeneinander beweglichen Komponenten umfasst, kann eine erste der Komponenten Teil des distalen Abschnitts und die zweite Komponente Teil des Zwischenabschnitts sein. So können interne Freiheitsgrade des Instruments genutzt werden, um die Beweglichkeit des Zwischenabschnitts zu verbessern und die Wahrscheinlichkeit, dass bei Annäherung eines Fremdkörpers eine Ausweichbewegung möglich ist, zu erhöhen.
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Die Ausnutzung eines internen Freiheitsgrades des Instruments ermöglicht es außerdem, die Zahl der Gelenke des Roboterarms zwischen Basis und Halterung klein zu halten und so die Fertigungskosten des Robotersystems niedrig zu halten.
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Im einfachsten Falle genügt es, wenn der Zwischenabschnitt genau zwei gelenkig miteinander, mit der Basis und mit einer Halterung für die zweite Komponente des Instruments verbundene Armabschnitte umfasst.
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Zweckmäßigerweise kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Typ des an der Halterung montierten Instruments zu erfassen und insbesondere zu unterscheiden, ob das Instrument wenigstens zwei gegeneinander bewegliche Komponenten umfasst oder nicht. Wenn das Instrument keine gegeneinander beweglichen Komponenten aufweist, dann muss, damit der Zwischenabschnitt ausweichen kann, ohne dass dabei das Instrument bewegt wird, die Halterung für das Instrument von der Steuereinheit als Teil des nicht zu bewegenden distalen Abschnitts gehandhabt werden. Wenn hingegen das Instrument gegeneinander bewegliche Komponenten umfasst, dann kann die Halterung für das Instrument sowie der daran befestigte Teil des Instruments als Teil des Zwischenabschnitts aufgefasst werden, und nur die relativ zur Halterung bewegliche Komponente des Instruments wird als distaler Abschnitt gehandhabt, d. h. bleibt bei einer Ausweichbewegung unbewegt.
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Die Armabschnitte können, um eine Bewegung in zwei Freiheitsgraden zu ermöglichen, miteinander über Kugelgelenke verbunden sein. Alternativ und des einfacheren Antriebs wegen bevorzugt können auch Zweiachsgelenke vorgesehen sein.
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Vorzugsweise liegt der Schnittpunkt der zwei Achsen eines ersten Zweiachsgelenks auf einer der Achsen eines zweiten der Zweiachsgelenke. Dies vereinfacht die Berechnung der Lage des distalen Abschnitts und des Zwischenabschnitts im Raum, da eine Drehung um die Achse des zweiten Zweiachsgelenks ohne Wirkung auf die Lage des Schnittpunkts der zwei Achsen am ersten Zweiachsgelenk ist.
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Um die Vorausberechnung der aus einer Bewegung des Roboterarms resultierenden Positionen des distalen Abschnitts und/oder der Teile des Zwischenabschnitts zu vereinfachen bzw. das Auffinden einer zum Platzieren des distalen Abschnitts an einer gewünschten Position geeigneten Stellung des Zwischenabschnitts zu vereinfachen, ist es ferner zweckmäßig, dass einer der zwei Armabschnitte über zwei zueinander parallele Achsen schwenkbar mit zweien der Zweiachsgelenke verbunden ist.
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Im Interesse der Modularität des Aufbaus bzw. einer rationalen Fertigung des Robotersystems ist es zweckmäßig, wenn die Armabschnitte miteinander, mit der Basis und mit der Halterung über jeweils identische Gelenkmodule verbunden sind.
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Als Mittel zum Erfassen der Annäherung des Fremdkörpers kann zumindest ein Näherungssensor oder eine Kamera vorgesehen sein. Während eine Kamera vorzugsweise getrennt vom Roboterarm angeordnet sein kann, um diesen zusammen mit dem sich nähernden Fremdkörper zu überblicken, sind Näherungssensoren vorzugsweise über den Zwischenabschnitt des Roboterarms verteilt angeordnet, um jeweils lokal eine Annäherung zu erfassen. Dies ermöglicht insbesondere eine einfache Steuerung der Ausweichbewegung, da den einzelnen Näherungssensoren jeweils entsprechend ihrer Platzierung am Zwischenabschnitt unterschiedliche Strategien für Ausweichbewegungen zugeordnet sein können. Teile des Roboterarms, die bei Annäherung eines Fremdkörpers nicht in der Lage sind, eine Ausweichbewegung durchzuführen, ohne dabei den distalen Abschnitt mit zu bewegen, können frei von Näherungssensoren sein bzw. von einer Annäherungsüberwachung durch eine Kamera ausgenommen sein. Vorzugsweise sind jedoch auch solche Bereiche in die Annäherungsüberwachung einbezogen; es kann ein Signalgeber vorgesehen sein, um bei Erfassung einer Annäherung an einen solchen Bereich ein Warnsignal zu erzeugen, alternativ oder ergänzend können an den Gelenken des Roboterarms Feststellbremsen vorgesehen sein, die bei Erfassung einer solchen Annäherung angezogen werden, um die Bewegung des Roboterarms, falls eine Berührung nicht zu verhindern ist, zumindest eng zu begrenzen.
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Als Fremdkörper kommt auch ein zweiter Roboterarm in Betracht. In diesem Fall kann die Steuereinheit selbst ein Mittel zum Erfassen der Annäherung bilden, indem sie auch den zweiten Roboterarm steuert oder indem sie mit einer Steuereinheit des zweiten Roboterarms kommuniziert, um eine Annäherung des zweiten Roboterarms an den Zwischenabschnitt zu erkennen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Robotersystems gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 einen schematischen Schnitt durch ein Gelenk des Roboterarms;
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3 das Robotersystem der 1 in einer typischen Anwendungssituation;
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4 den Roboterarm mit einem in sich beweglichen Instrument; und
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5 eine schematische Darstellung eines Robotersystems gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt schematisch ein Robotersystem gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das System umfasst einen Roboterarm 1 mit einer ortsfest, hier zum Beispiel an der Decke eines Operationssaals, montierten Basis 2, einem ersten Armabschnitt 3, der mit der Basis über ein erstes Gelenkmodul 4 verbunden ist, einem zweiten Armabschnitt 5, der mit dem ersten Armabschnitt 3 über ein zweites Gelenkmodul 6 verbunden ist, und einem Instrument 7, das an einer über ein drittes Gelenkmodul 8 mit dem zweiten Armabschnitt 5 verbundenen Halterung 9 lösbar befestigt ist.
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Im hier betrachteten Fall ist das Instrument 7 in sich starr, so dass jegliche Bewegung des Instruments 7 auf Bewegungen von Motoren zurückgeht, die in den Armabschnitten 3, 5 oder, wie im Folgenden noch genauer gezeigt, den Gelenkmodulen 4, 6, 8 eingebaut sind. Als Beispiele für ein solches in sich starres Instrument 7 kommen ein Skalpell oder eine Kamera bzw. Endoskop in Betracht, oder auch eine Trokarhülse oder dergleichen, die, nachdem in die Haut eines Patienten zur Durchführung einer minimalinvasiven Operation ein Schnitt eingebracht worden ist, in diesem Schnitt platziert und vom Roboterarm 1 dort festgehalten wird, um eine Durchführung für andere Instrumente zu bilden.
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Instrument 7 und Halterung 9 bilden daher hier eine starre Einheit, die als ein distaler Abschnitt des Roboterarms 1 aufgefasst werden kann.
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An der Halterung 9 sind auch andere Typen von Instrumenten montierbar, insbesondere solche, die gegeneinander bewegliche Komponenten und wenigstens einen Aktuator zum Antreiben einer Bewegung der Komponenten gegeneinander umfassen. Um den Aktuator eines solchen Instruments mit Antriebsenergie und Stellbefehlen zu versorgen, ist ein Steckkontakt 11 an der Halterung 9 vorgesehen. Da das Instrument 7 weder Antriebsenergie noch Stellbefehle benötigt, ist es mit dem Steckkontakt 11 unverbunden.
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Eine Busleitung 12 verbindet den Steckkontakt 11 sowie eine Mehrzahl von Näherungssensoren 13 mit einer Steuereinheit 14. Die Steuereinheit 14 ist hier getrennt vom Roboterarm 1 dargestellt. Sie kann insbesondere durch einen herkömmlichen Mikrocomputer gebildet sein. An die Steuereinheit 14 ist eine Benutzerschnittstelle 15, hier schematisch als Joystick dargestellt, angeschlossen, mit deren Hilfe ein Benutzer die Position des distalen Abschnitts in den drei Raumrichtungen sowie ihre Orientierung festlegen kann. Die Positionen der Armabschnitte 3, 5 sind für den Benutzer im allgemeinen nicht von unmittelbarem Interesse; er steuert diese daher nicht direkt, sondern überlässt der Steuereinheit 14 die Aufgabe, die Stellungen der Armabschnitte 3, 5, mit denen die gewünschte Position des distalen Abschnitts realisierbar ist, bzw. die Winkelwerte, die an den Stellmotoren der Gelenkmodule 4, 6, 8 eingestellt werden müssen, um diese Stellungen der Armabschnitte 3, 5 zu erhalten, herauszufinden und anzufahren. Im Gegensatz zu dem direkt vom Benutzer gesteuerten distalen Abschnitt können die übrigen, abhängig von der Vorgabe des Benutzers von der Steuereinheit 14 gesteuerten Teile 3, 4, 5, 6, 8 des Roboterarms 1 als Zwischenabschnitt 16 zusammengefasst werden.
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Als Näherungssensoren 13 kommen insbesondere kapazitive Sensoren in Betracht, da diese in der Lage sind, die Annäherung von Fremdkörpern aus nahezu beliebigen Materialien zu erfassen. Die Näherungssensoren 13 sind hier nur an exponierten Stellen der Armabschnitte 3, 5 dargestellt; in der Praxis können sie in größerer Zahl über die Gehäuse der Armabschnitte 3, 5 verteilt sein, um gegebenenfalls nicht nur die Tatsache erfassen zu können, dass sich ein Fremdkörper nähert, sondern anhand eines Vergleichs der Signalstärken von unterschiedlich platzierten Näherungssensoren 13 auch die Ermittlung der Richtung, aus der sich der Fremdkörper nähert, bzw. der Stelle, an der er voraussichtlich mit dem Roboterarm 1 zusammenstoßen wird, zu ermöglichen.
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Grundsätzlich könnten Näherungssensoren 13 auch an den Gelenkmodulen, insbesondere den Gelenkmodulen 6, 8, vorhanden sein. Das Gelenkmodul 4 benötigt derartige Sensoren nicht, da es direkt mit der ortsfesten Basis 2 verbunden und daher nicht in der Lage ist, einem sich nähernden Fremdkörper auszuweichen, ein Anstoßen eines Fremdkörpers an das Gelenkmodul 4 aber auch nicht zu einer Auslenkung des Roboterarms 1 führen würde.
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Aus Gründen der Fertigungs- und Wartungseffizienz kann es wünschenswert sein, dass alle Gelenkmodule 4, 6, 8 baugleich sind. Um in einem solchen Fall die Annäherung eines Fremdkörpers auch an die Gelenkmodule 6, 8 erfassen zu können, ohne diese selbst mit Sensoren bestücken zu müssen, kann es zweckmäßig sein, Näherungssensoren an den jeweils zu den Gelenkmodulen 6, 8 benachbarten Enden der Armabschnitte 3, 5 vorzusehen.
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Zur Unterstützung der Näherungssensoren 13 oder als Ersatz für diese können eine oder mehrere Kameras 17 vorgesehen sein, die auf den Roboterarm 1 ausgerichtet sind und deren Bilder von der Steuereinheit 14 ausgewertet werden, um die Annäherung eines Fremdkörpers an den Roboterarm 1 zu erkennen.
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2 zeigt das Gelenkmodul 6 in einem schematischen Querschnitt. Die Module 4, 8 sind identisch aufgebaut und bilden jeweils ein Zweiachsgelenk. Im Inneren des Gelenkmoduls 6 sind zwei Stellmotoren 18 untergebracht, deren Rotoren 19 an mit den Armabschnitten 3, 5 fest verbundenen Wellen 20 angreifen und deren Statoren 21 in dem Gelenkmodul 6 drehfest verankert sind. Die zwei Wellen 20 erstrecken sich in rechtem Winkel zueinander. Die Drehachsen 32 der Wellen 20 kreuzen einander in der Mitte 33 des Gelenkmoduls 6.
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Wieder auf 1 bezogen hat der erste Armabschnitt 3 eine in etwa U-förmige Gestalt mit zwei zueinander parallelen, an den Gelenkmodulen 4 und 6 angreifenden Wellen 20. Die Wellen 20, die das Gelenkmodul 4 mit der Basis 2 bzw. das Gelenkmodul 6 mit dem Armabschnitt 5 verbinden, fluchten miteinander in der gezeigten Konfiguration.
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Der Kreuzungspunkt 33 der beiden Drehachsen 32 des dritten Gelenkmoduls 8 liegt auf der Achse 32, die durch die das Gelenkmodul 8 und den Armabschnitt 5 verbindende Welle 20 definiert ist. Eine Drehung des Armabschnitts 5 um diese Achse 32 hat daher keine Wirkung auf die Position des Kreuzungspunktes 33, was die Berechnung der aus einer solchen Drehung resultierenden Position der Halterung 9 durch die Steuereinheit 14 vereinfacht.
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Wiederum mit Bezug auf 2 können an den Wellen 20 jeweils Bremsscheiben 22 befestigt sein. Ränder der Bremsscheiben 22 greifen zwischen Bremsbacken 23 einer (Feststell-)Bremse 24 ein. In der in 2 gezeigten Konfiguration sind die Bremsbacken 23 von den Bremsscheiben 22 beabstandet und behindern eine Drehung der Wellen 20 nicht. Durch Anziehen der Bremse 24 werden beide Wellen 20 gemeinsam blockiert.
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3 zeigt eine typische Anwendungssituation des erfindungsgemäßen Robotersystems. Das Instrument 7 ist am Körper eines in der Figur nicht dargestellten Patienten platziert, und ein Chirurg beugt seinen Kopf über den Patienten, um freien Blick auf das Operationsfeld zu haben. Wenn in dieser Situation der Roboterarm 1 die in 1 gezeigte Stellung hätte, könnte der Kopf 25 des Chirurgen an den Armabschnitt 3 anstoßen. Diese Annäherung wird von der Steuereinheit 14 mittels der Näherungssensoren 13 und/oder der Kamera 17 erfasst. In der in 1 exemplarisch gezeigten Konfiguration ist eine Ausweichbewegung auf einfache Weise möglich, indem die an den beiden miteinander fluchtenden Wellen 20 angeordneten Stellmotoren 18 des ersten und des zweiten Gelenkmoduls 4, 6 jeweils gegensinnig in Drehung versetzt werden. Der Armabschnitt 3 rotiert so vom Kopf 25 des Chirurgen weg, während der Armabschnitt 5 und folglich auch das Instrument 7 unbeweglich bleibt.
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Wenn die beiden genannten Achsen 20 nicht miteinander fluchten, wird im Allgemeinen auch eine Betätigung der anderen Stellmotoren 18 in den Gelenkmodulen 4, 6, 8 erforderlich sein, um beide Armabschnitte 3, 5 so zu bewegen, dass die Position des Instruments 7 nicht verändert wird.
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Da die Bewegungsfreiheit der Armabschnitte 3, 5 im Raum begrenzt ist, kann eine Situation auftreten, in der ein Ausweichen unter Beibehaltung der Position des Instruments 7 nicht möglich ist. In einem solchen Fall kann vorgesehen werden, dass die Steuereinheit 14 einen Warnsignalgeber, zum Beispiel einen Lautsprecher 26, aktiviert, um vor einem bevorstehenden Zusammenstoß zu warnen. Alternativ, vorzugsweise gleichzeitig, können, wenn vorhanden, die Feststellbremsen 24 der Gelenkmodule 4, 6, 8 angezogen werden, um einer Auslenkung des Roboterarms 1, falls der Zusammenstoß nicht zu vermeiden ist, größtmöglichen Widerstand entgegenzusetzen und so die Bewegung des Instruments 7 zu minimieren.
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4 zeigt den Roboterarm aus 1, bei dem an der Halterung 9 das Instrument 7 durch ein Instrument 27 eines anderen Typs ersetzt ist. Dieses Instrument 27 umfasst eine an der Halterung 9 befestigte Basis 28 und einen an der Basis 28 linear verstellbaren, von einem der Basis 28 untergebrachten Stellglied angetriebenen Stift 29. An der Spitze des Stifts 29 befindet sich ein Werkzeug, beispielsweise ein elektrochirurgisches Werkzeug, das Objektiv eines Endoskops, oder, wie in der Figur dargestellt, ein Greifer 30.
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Je nach Ausbildung des Instruments 27 sind Bewegungen in weiteren Freiheitsgraden möglich. So könnte auch ein Instrument 27 verwendet werden, das seinen Endeffektor wie etwa den Greifer 30 um seine Längsachse rotieren kann oder bei dem Basis und Endeffektor über Gelenke ähnlich den Gelenkmodulen 4, 6, 8 schwenkbar verbunden sind.
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Die Basis 28 ist über den Steckkontakt 11 der Halterung 9 und die in dieser Fig. nicht gezeigte Busleitung 12 mit der Steuereinheit 14 verbunden. Über diese Verbindung ist die Steuereinheit 14 in der Lage, den Typ des Instruments 27 zu erkennen, das heißt herauszufinden, welche Bewegungsfreiheitgrade die bewegliche Komponente des Instruments, hier also der Stift 29, relativ zur an der Halterung 9 befestigten Komponente, d. h. der Basis 28, aufweist, in welcher Stellung es sich relativ zur Basis 28 befindet und wie weit gegebenenfalls ihre Bewegungsfreiheit in der einen oder anderen Richtung ist. Wenn die Steuereinheit 14 ein solches bewegliches Instrument 27 an der Halterung 9 erfasst, kann sie die Bewegungsfreiheit von dessen Komponenten 28, 29 gegeneinander ausnutzen, wenn der Annäherung eines Fremdkörpers ausgewichen werden muss. Es ist hier nicht mehr erforderlich, dass die Halterung 9 selber während einer Ausweichbewegung in Ruhe bleibt, es genügt, wenn der Stift 29 in Ruhe bleibt. Somit bildet hier nur noch der Stift 29 mit dem daran angebrachten Werkzeug 30 einen distalen Abschnitt 10 des Roboterarms 1; die Halterung 9 und die Basis 28 sind dem Zwischenabschnitt 16 zugeschlagen. Da die Zahl der Freiheitsgrade auf diese Weise vergrößert ist, ist das Finden einer geeigneten Ausweichbewegung hier einfacher als im Falle des in sich starren Instruments 7.
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Einem sich z. B. in Höhe des Gelenkmoduls 6 von rechts nähernden Fremdkörper könnte der Roboterarm 1 durch Schwenken des oberen Armelements 3 im Uhrzeigersinn um das Gelenkmodul 4 ausweichen. Wenn diese Schwenkbewegung nicht von gleichzeitigen Bewegungen der anderen Gelenkmodule 6, 8 begleitet ist, würde sich auch das Instrument 27 auf einer Kreisbahn um das Gelenkmodul 4 bewegen, was offensichtlich ausgeschlossen sein muss, wenn das Instrument 27 in den Körper eines Patienten eingeführt ist. Da die Steuereinheit 13 die geometrischen Daten des Roboterarms 1 kennt, ist sie in der Lage, eine Schwenkbewegung des unteren Armelements 5 um das Gelenkmodul 6 gegen den Uhrzeigersinn und eine Drehung der Basis 28 des Instruments 27 am Gelenkmodul 8 im Uhrzeigersinn so mit der Schwenkbewegung des oberen Armelements 3 zu synchronisieren, dass die Basis 28 geradlinig in Längsrichtung des Stifts 29 verlagert wird. Durch Verschieben des Stifts 29 relativ zur Basis 28 mit passender Geschwindigkeit gelingt es, den Greifer 30 stationär zu halten.
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In einer nicht gezeichneten Ausgestaltung der Erfindung weist die Halterung 9 gegeneinander in wenigstens einem Freiheitsgrad verstellbare, z. B. teleskopisch verschiebbare Komponenten auf, von denen eine am Gelenkmodul 8 und die andere am Instrument 7 oder 27 angreift. Eine solche Halterung kann insbesondere an einem existierenden Robotersystem nachgerüstet werden, wenn zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrade erforderlich sind, um Ausweichbewegungen zu ermöglichen.
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Analog zum Fall des Instruments 27 kann vorgesehen werden, dass die Steuereinheit 15 über die Busleitung 12 von der Halterung diejenigen Daten abfragt, die sie benötigt, um den Freiheitsgrad der Halterung beim Steuern von Ausweichbewegungen berücksichtigen und nutzen zu können, insbesondere die Abmessungen der Halterung, die Art des Freiheitsgrades und das Ausmaß der Bewegungsfreiheit. Wenn die Halterung das in sich starre Instrument 7 trägt, dann ist die am Instrument 7 angreifende Komponente dem distalen Abschnitt 10, die am Gelenkmodul 8 angreifende Komponente dem Zwischenabschnitt 16 zuzurechnen; im Fall des in sich beweglichen Instruments 27 kann die gesamte Halterung von der Steuereinheit 15 als Teil des Zwischenabschnitts 16 gehandhabt werden.
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5 zeigt eine Variante des Robotersystems, bei dem die Steuereinheit 14 zwei Roboterarme 1, 31 gleichzeitig steuert. Der Aufbau der Roboterarme 1, 31 kann, eventuell abgesehen von den an ihren Halterungen 9 montierten Instrumenten, identisch sein. 5 zeigt eine Situation, in der, veranlasst z. B. durch eine Benutzereingabe, der Roboterarm 31 eine Stellung anfährt, in der er mit dem Roboterarm 1 in dessen gestrichelt dargestellter Stellung kollidieren würde. Da die Steuereinheit 14 die Stellbefehle des Benutzers empfängt und in Steuerbefehle für die einzelnen Motoren des Roboterarms 31 umsetzt, verfügt sie über alle nötigen Informationen, um die resultierende Stellung des Roboterarms 31 zu berechnen und die Kollision, die dadurch, hier in Höhe des Gelenkmoduls 6 des Roboterarms 1, resultieren würde, vorherzusehen. Z. B. sind der Steuerung 14 einerseits die Geometriedaten der beiden Roboterarme 1 und 31 bekannt, andererseits kann sie die aktuellen sowie die zur Bewegungsdurchführung zu durchlaufenden (Bewegungs-)Koordinaten aller Gelenke bzw. Armelemente berechnen und auswerten. Aus den vorgegebenen (Bewegungs- bzw. Positions-)Koordinaten kann die Robotersteuerung 14 die Geometriedaten auch für jeden zukünftigen Zeitpunkt im Voraus berechnen.
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Um diese Kollision zu vermeiden, steuert die Steuereinheit 14 eine Ausweichbewegung des Roboterarms 1 in die in 5 durchgezogen gezeichnete Stellung: der Armabschnitt 3 schwenkt am Gelenkmodul 4 im Gegenuhrzeigersinn, und um den Stift 29 des Instruments 27 des Arms 1 unbeweglich zu halten, schwenkt gleichzeitig der zweite Armabschnitt 5 im Uhrzeigersinn, so dass sich das Gelenkmodul 8 in Längsrichtung des Stifts 29 bewegt. Indem gleichzeitig der Stift 29 relativ zur Basis 28 zurückgezogen wird, gelingt es, ihn relativ zum Körper des Patienten, angedeutet durch das Bezugszeichen 34, das z. B. auf die Bauchdecke zeigt, unbeweglich zu halten. Ungewollte Bewegungen des distalen Abschnitts 10 im Körperinneren können so wirksam verhindert werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass der distale Abschnitt 10 im Einstichpunkt 35 in der Bauchdecke 34 eingeführt bleibt, bzw. dass der distale Abschnitt 10 in Bezug zum Einstichpunkt 35 keine Relativbewegung durchführt, die nicht durch eine entsprechende Benutzereingabe an der Benutzerschnittstelle 15 veranlasst wurde.
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Bei den bisher betrachteten Anwendungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass der distale Abschnitt 10 des Roboterarms 1 sich in Ruhe befindet, während sich ein Fremdkörper 25 oder 31 nähert. Natürlich besteht auch die Möglichkeit, dass sich während einer von einem Benutzer gesteuerten Bewegung des distalen Abschnitts 10 der Zwischenabschnitt 16 einem Fremdkörper nähert. Denkbar wäre es, in letztgenanntem Falle die gesteuerte Bewegung des distalen Abschnitts 10 zu unterbrechen, um eine Ausweichbewegung des Zwischenabschnitts 16 durchzuführen; bevorzugtermaßen berücksichtigt in einem solchen Fall die Steuereinheit 14 das Vorhandensein des Fremdkörpers bereits beim Auswählen der Bewegungen der Armabschnitte 3, 5, mit denen sie den distalen Abschnitt 10 in die vom Benutzer über die Benutzerschnittstelle 15 spezifizierte Position bringt. Der Benutzer muss daher nicht wissen, ob irgendwo im Bewegungsbereich des Roboterarms 1 sich ein Fremdkörper befindet, an den der Roboterarm 1 anstoßen könnte; wenn ein solcher Fremdkörper vorhanden ist, lenkt die Steuereinheit 15 den Roboterarm 1 sicher daran vorbei, ohne dass sich für den Benutzer die Arbeit merklich verzögert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboterarm
- 2
- Basis
- 3
- Armabschnitt
- 4
- Gelenkmodul
- 5
- Armabschnitt
- 6
- Gelenkmodul
- 7
- Instrument
- 8
- Gelenkmodul
- 9
- Halterung
- 10
- Distaler Abschnitt
- 11
- Steckkontakt
- 12
- Busleitung
- 13
- Näherungssensor
- 14
- Steuereinheit
- 15
- Joystick
- 16
- Zwischenabschnitt
- 17
- Kamera
- 18
- Stellmotor
- 19
- Rotor
- 20
- Welle
- 21
- Stator
- 22
- Bremsscheibe
- 23
- Bremsbacken
- 24
- Bremse
- 25
- Kopf
- 26
- Lautsprecher
- 27
- Instrument
- 28
- Basis
- 29
- Stift
- 30
- Greifer
- 31
- Roboterarm
- 32
- Achse
- 33
- Kreuzungspunkt
