DE102014105393B4

DE102014105393B4 - Roboterarm mit sphärischer Kopplung

Info

Publication number: DE102014105393B4
Application number: DE102014105393.1A
Authority: DE
Inventors: Ren-Jeng Wang
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2022-07-28
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: DE102014105393A1; TW201529257A; US20150202780A1; US9440362B2; TWI523743B

Abstract

Roboterarm (10) umfassend:
Eine erste gekrümmte Verbindung (31) mit einem ersten und einem zweiten Schwenkbereich (311, 312) an zwei jeweiligen Enden, und bereitgestellt mit einer ersten und einer zweiten imaginären Achse (L1, L2), die durch den ersten beziehungsweise den zweiten Schwenkbereich (311, 312) laufen und sich in einem Zentrum einer sphärischen Drehung (C) kreuzen, worin der erste Schwenkbereich (311) durch die erste Antriebseinheit (24) zum Drehen angetrieben wird;
eine erste Antriebseinheit (24) zum Antreiben der ersten gekrümmten Verbindung (31), damit sich diese um die erste imaginäre Achse (L1) dreht, worin die erste Antriebseinheit (24) einen Motor, zwei Antriebsscheiben (244, 245) und einen Riemen (246) umfasst;
ein erstes Rad (32), das mit einer dritten imaginären Achse (L3) definiert vorliegt, die durch das Zentrum der sphärischen Drehung (C) läuft;
eine zweite Antriebseinheit (26) zum Antreiben des ersten Rads (32), damit sich dieses um die dritte imaginäre Achse (L3) dreht, worin die zweite Antriebseinheit (26) einen Motor (262) und ein Übertragungsrad (264) umfasst;
eine zweite gekrümmte Verbindung (33) mit einem dritten und einem vierten Schwenkbereich (331, 332) an zwei jeweiligen Enden, und bereitgestellt mit einer vierten imaginären Achse (L4), die durch den vierten Schwenkbereich (332) und das Zentrum der sphärischen Drehung (C) läuft, wobei der dritte Schwenkbereich (331) der zweiten gekrümmten Verbindung (33) drehbar mit dem zweiten Schwenkbereich (312) der ersten gekrümmten Verbindung (31) verbunden ist;
ein zweites Rad (34), das an dem dritten Schwenkbereich (331) der zweiten gekrümmten Verbindung (33) befestigt vorliegt und mit dem zweiten Schwenkbereich (312) der ersten gekrümmten Verbindung (31) drehbar verbunden ist;
ein erstes flexibles Band (37), das um das Übertragungsrad (264), das erste und das zweite Rad (32, 34) herumgewickelt ist und an der zweiten gekrümmten Verbindung (33) befestigt vorliegt, um das zweite Rad (34) und die zweite gekrümmte Verbindung (33) so anzutreiben, dass sie sich um die zweite imaginäre Achse (L2) drehen, wenn sich das erste Rad (32) dreht;
eine Werkzeugverbindung (35) und ein drittes Rad (36), die aneinander befestigt vorliegen und mit dem vierten Schwenkbereich (332) der zweiten gekrümmten Verbindung (33) drehbar verbunden sind; worin die Werkzeugverbindung (35) an zwei Enden entsprechend einen fünften Schwenkbereich (351) und einen Installationsbereich (352) aufweist, worin der fünfte Schwenkbereich (351) mit dem vierten Schwenkbereich (332) der zweiten gekrümmten Verbindung (33) drehbar verbunden und relativ 5 zu dem vierten Schwenkbereich (332) über die vierte imaginäre Achse (L4) drehbar ist, worin der Installationsbereich (352) angepasst ist, mit der Werkzeugvorrichtung verbunden zu werden; sowie
ein zweites flexibles Band (38), das um das zweite und das dritte Rad (34, 36) herumgewickelt ist und an der ersten gekrümmten Verbindung (31) befestigt vorliegt, um das dritte Rad (36) und die Werkzeugverbindung (35) so anzutreiben, dass sie sich um die vierte imaginäre Achse (L4) drehen, wenn sich das zweite Rad (34) dreht,
worin der Außenradius des ersten Rads (32) dem des dritten Rads (36) entspricht und das Doppelte von dem des zweiten Rads (34) ist, so dass der fünfte Schwenkbereich (351) im Wesentlichen auf den ersten Schwenkbereich (311) der ersten gekrümmten Verbindung (31) gerichtet und der Installationsbereich (352) dem ersten Schwenkbereich (311) derart abgewandt ist, dass sich der Installationsbereich (352) auf einer imaginären Ebene erstreckt, die durch die dritte imaginäre Achse (L3), die vierte imaginäre Achse (L4) und das Zentrum der sphärischen Drehung (C) definiert wird;
worin die erste gekrümmte Verbindung (31) zwei Stäbe (31A, 31B) aufweist, die sich synchron bewegen, und worin sich die zweite gekrümmte Verbindung (33) und das erste und das zweite Rad (32, 34) zwischen den Stäben (31A, 31B) befinden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Roboterarme und insbesondere einen Roboterarm mit sphärischer Kopplung.
Ein herkömmlicher Roboterarm mit Kugel-Fünfgelenker wie er beispielsweise in der unveröffentlichten taiwanischen Patentanmeldung Nr. 102121198 offenbart ist, umfasst vier gekrümmte Verbindungen, von denen jeweils zwei miteinander verbunden sind. Jede der gekrümmten Verbindungen wird mit zwei Drehachsen an ihren zwei Enden bereitgestellt und die Drehachsen reichen durch ein Zentrum einer sphärischen Drehbewegung. Der Roboterarm wird hauptsächlich in minimalinvasiven Chirurgiesystemen verwendet, um ein kleines chirurgisches Werkzeug anzuordnen und um die Drehrichtung und den Drehwinkel des kleinen chirurgischen Werkzeugs zu steuern.
Der vorstehend erwähnte Roboterarm ist jedoch relativ groß, da er wenigstens vier gekrümmte Verbindungen aufweist, und das minimalinvasive Chirurgiesystem umfasst für gewöhnlich mehrere Roboterarme zum Anordnen von mehreren kleinen chirurgischen Werkzeugen mit unterschiedlichen Funktionen. Daher wäre es besser, die Größe eines jeden Roboterarms zu verringern, um die Anordnung des minimalinvasiven Chirurgiesystems in einem begrenzten Behandlungsraum zu ermöglichen und um die Bewegungseinschränkung von medizinischem Personal zu reduzieren.
Darüber hinaus bedingen sich die Bewegungen der gekrümmten Verbindungen des vorstehend erwähnten Roboterarms gegenseitig und die Antriebe zum Antreiben der gekrümmten Verbindungen besetzen einen Teil des Raumes, der die gekrümmten Verbindungen umgibt und schränken somit den Drehwinkel jeder gekrümmten Verbindung ein. Daher kann der Roboterarm das kleine chirurgische Werkzeug nur in einem begrenzten Aktionsradius bewegen.
Die US 2006 / 0 243 085 A1 offenbart unter anderem einen sphärischen Bewegungsmechanismus für zwei Freiheitsgrade, der auf einen einzigen Punkt innerhalb einer Kugel zentriert ist. Der Mechanismus umfasst ein erstes Drehgelenk, das mit einem Verbindungsglied mit einem weniger als rechten Winkel zwischen dem Verbindungsglied und der Drehachse für das erste Drehgelenk verbunden ist. Am anderen Ende des ersten Verbindungsglieds befindet sich ein zweites Drehgelenk mit einem weniger als rechten Winkel zwischen dem ersten Verbindungsglied und der Drehachse für das zweite Drehgelenk und einem weniger als rechten Winkel zwischen der Drehachse und dem zweiten Verbindungsglied.
Die DE102011011497 A1 offenbart ein chirurgisches Instrument, mit einem Schaftende, einem Werkzeughalter, an dem Schaftende um eine Gierachse drehbar gelagert, einem Werkzeug, sowie einem Rädergetriebe mit einem Antriebsrad und einem Abtriebsrad. Durch das Abtriebsrad ist das Werkzeug um die Nickachse drehbar. An- und Abtriebsrad können durch Zugmittel gekoppelt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde unter den gegebenen Umständen verwirklicht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Roboterarm mit einer sphärischen Kopplung bereitzustellen, der relativ klein ist und daher die Bewegungen des Operateurs weniger einschränkt und einen relativ großen Aktionsradius bereitstellt.
Um diese Aufgaben zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung einen Roboterarm bereit, der erste und zweite gekrümmte Verbindungen, erste und zweite Antriebseinheiten, erste, zweite und dritte Räder, erste und zweite flexible Bänder, sowie eine Werkzeugverbindung umfasst. Die erste gekrümmte Verbindung weist einen ersten und zweiten Schwenkbereich an ihren zwei Enden auf und wird mit ersten und zweiten imaginären Achsen definiert, die sich durch den ersten beziehungsweise zweiten Schwenkbereich erstrecken und sich in einem Zentrum sphärischer Drehung kreuzen, worin der der erste Schwenkbereich durch die erste Antriebseinheit zum Drehen angetrieben wird. Die erste gekrümmte Verbindung wird durch die erste Antriebseinheit angetrieben, damit sie sich um die erste imaginäre Achse drehen kann. Die erste Antriebseinheit umfasst einen Motor, zwei Antriebsscheiben und einen Riemen. Das erste Rad wird mit einer dritten imaginären Achse definiert, die durch das Zentrum sphärischer Drehung verläuft und durch die zweite Antriebseinheit angetrieben wird, damit es sich um die dritte imaginäre Achse drehen kann. Die zweite Antriebseinheit umfasst einen Motor und ein Übertragungsrad. Die zweite gekrümmte Verbindung weist einen dritten und vierten Schwenkbereich an ihren Enden auf und wird mit einer vierten imaginären Achse definiert, die sich durch den vierten Schwenkbereich und in das Zentrum sphärischer Drehung erstreckt. Der dritte Schwenkbereich der zweiten gekrümmten Verbindung ist drehbar mit dem zweiten Schwenkbereich der ersten gekrümmten Verbindung verbunden. Das zweite Rad ist an dem dritten Schwenkbereich der zweiten gekrümmten Verbindung befestigt und drehbar mit dem zweiten Schwenkbereich der ersten gekrümmten Verbindung verbunden. Das erste flexible Band/Seil ist um das Übertragungsrad, das erste und das zweite Rad herumgewickelt und an der zweiten gekrümmten Verbindung befestigt, um das zweite Rad anzutreiben und um die zweite gekrümmte Verbindung zum Drehen um die zweite imaginäre Achse zu bringen, wenn sich das erste Rad dreht. Die Werkzeugverbindung und das dritte Rad sind aneinander befestigt und drehbar mit dem vierten Schwenkbereich der zweiten gekrümmten Verbindung verbunden. Die Werkzeugverbindung weist an zwei Enden entsprechend einen fünften Schwenkbereich und einen Installationsbereich auf. Der fünfte Schwenkbereich ist mit dem vierten Schwenkbereich der zweiten gekrümmten Verbindung drehbar verbunden und relativ zu dem vierten Schwenkbereich über die vierte imaginäre Achse drehbar. Der Installationsbereich ist angepasst, mit der Werkzeugvorrichtung verbunden zu werden. Das zweite flexible Band/Seil ist um das zweite und das dritte Rad herumgewickelt und an der ersten gekrümmten Verbindung befestigt, um das dritte Rad und die Werkzeugverbindung anzutreiben, sich um die vierte imaginäre Achse zu drehen, wenn sich das zweite Rad dreht.
Der Außenradius des ersten Rades entspricht dem des dritten Rads und das Doppelte von dem des zweiten Rads ist, so dass der fünfte Schwenkbereich im Wesentlichen auf den ersten Schwenkbereich der ersten gekrümmten Verbindung gerichtet und der Installationsbereich dem ersten Schwenkbereich derart abgewandt ist, dass sich der Installationsbereich auf einer imaginären Ebene erstreckt, die durch die dritte imaginäre Achse, die vierte imaginäre Achse und das Zentrum der sphärischen Drehung definiert wird. Die erste gekrümmte Verbindung weist zwei Stäbe auf, die sich synchron bewegen. Die zweite gekrümmte Verbindung und das erste und das zweite Rad befinden sich zwischen den Stäben.
Als Folge davon kann der Roboterarm mit einer sphärischen Kopplung definiert und für ein Anordnen eines Werkzeugs an der Werkzeugverbindung angepasst und präzise gesteuert werden, um sich um das Zentrum der sphärischen Rotation zu drehen. Darüber hinaus weist der Roboterarm der vorliegenden Erfindung verglichen mit einem herkömmlichen Roboterarm gleicher Funktionsgestaltung weniger gekrümmte Verbindungen auf und ist daher in seinen Ausmaßen kleiner und spart mehr Platz für Bewegungen eines Operateurs und für Drehungen jeder gekrümmten Verbindung ein. Deshalb behindert der Roboterarm der vorliegenden Erfindung die Bewegungen des Operateurs deutlich weniger und ermöglicht dem Werkzeug einen wesentlich größeren Aktionsradius.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung und die Beispiele, obgleich sie bestimmte Ausführungsformen der Erfindung aufzeigen, nur zu Darstellungszwecken offenbart werden, da verschiedene Veränderungen und Verbesserungen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung dem Fachmann aus der detaillierten Beschreibung offensichtlich sein werden.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende detaillierte Beschreibung und die anhängigen Zeichnungen besser verstanden, die lediglich zu Darstellungszwecken offenbart werden und die vorliegende Erfindung nicht einschränken, und wobei:

1 bis 3 perspektivische Ansichten eines Roboterarms mit sphärischer Kopplung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus drei Richtungen sind;
4 eine dreidimensionale schematische Zeichnung der sphärischen Kopplung des Roboterarms gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
5 vergleichbar mit 4 mit der Ausnahme ist, dass die erste und zweite imaginäre Achse der sphärischen Kopplung in 4 übereinstimmen, in 5 aber nicht.

Zunächst wird darauf hingewiesen, dass gleiche Bezugszeichen in den folgenden bevorzugten Ausführungsformen und den anhängigen Zeichnungen gleiche oder identische Bestandteile des Aufbaus in der Beschreibung bezeichnen, um die vorliegende Erfindung präzise darzustellen. Darüber hinaus bedeutet die Erwähnung, ein Element sei angeordnet in oder an oder mit einem anderen Element verbunden, dass das zuerst genannte Element mit dem letztgenannten Element mittels einem oder mehrerer Elemente direkt verbunden ist, die sich zwischen dem zuerst und dem zuletzt genannten Elementen befinden.
In den 1 bis 4 ist ein Roboterarm 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, der eine Antriebseinrichtung 20 und eine sphärische Kopplung 30 umfasst.
Es wird darauf hingewiesen, dass die sogenannte sphärische Kopplung in der vorliegenden Erfindung mit einem Zentrum einer sphärischen Drehung C definiert ist, in dem sich die Drehachsen, das bedeutet die im Folgenden aufgeführten ersten bis vierten imaginären Achsen L1 bis L4, aller drehbaren Bereiche der sphärischen Kopplung kreuzen. Beim Betrieb der sphärischen Kopplung wird jeder drehbare Bereich davon als sich auf einer imaginären sphärischen Oberfläche bewegend angesehen, die sich um die Mitte des Zentrums der sphärischen Drehung C befindet.
Der Roboterarm 10 ist daran angepasst, eine Werkzeugvorrichtung (nicht gezeigt) an der sphärischen Kopplung 30 anzuordnen. Die Werkzeugvorrichtung umfasst ein Werkzeug mit einer bestimmten Funktion, und das Werkzeug, beispielsweise ein kleines chirurgisches Werkzeug, ist für gewöhnlich derart angeordnet, dass es ungefähr in Richtung des Zentrums der sphärischen Drehung C zeigt oder dort hindurch reicht. Die Werkzeugvorrichtung wird durch die sphärische Kopplung 30 angetrieben, so dass das Werkzeug im Wesentlichen im Zentrum der sphärischen Drehung C bewegt wird und die Drehrichtung und der Winkel des Werkzeugs präzise gesteuert werden. Diese Anordnung eines Roboterarms 10 wird im Folgenden weiter beschrieben.
Die Antriebsvorrichtung 20 umfasst eine feste Basis 22, sowie erste und zweite Antriebseinheiten 24, 26, die an der festen Basis 22 angeordnet sind. Die erste Antriebseinheit 24 umfasst einen Motor (nicht gezeigt), zwei Antriebsscheiben 244, 245, sowie einen Riemen 246 zum Übertragen der kinetischen Drehenergie, die von dem Motor an die sphärische Kopplung 30 abgegeben wird. Die zweite Antriebseinheit 26 umfasst einen Motor 262 und ein Übertragungsrad 264 zum Übertragen von kinetischer Drehenergie, die von dem Motor 262 an die sphärische Kopplung 30 abgegeben wird.
Die sphärische Kopplung 30 umfasst eine erste gekrümmte Verbindung 31, ein erstes Rad 32, eine zweite gekrümmte Verbindung 33, ein zweites Rad 34, eine Werkzeugverbindung 35, ein drittes Rad 36, ein erstes flexibles Band 37 und ein zweites flexibles Band 38.
Die erste gekrümmte Verbindung 31 weist zwei Stäbe 31A, 31B auf, die sich synchron bewegen, sowie eine Spannungseinstellung 31C, die an dem Stab 31A angeordnet ist. Jeder Stab 31A, 31B weist einen ersten und einen zweiten Drehbereich 311, 312 an zwei Seiten auf. Die erste gekrümmte Verbindung 31 ist mit einer ersten imaginären Achse L1 definiert, die durch die ersten Schwenkbereiche 311 läuft, sowie eine zweite imaginäre Achse L2, die durch die zweiten Schwenkbereiche 312 läuft. Die erste und zweite imaginäre Achse L1, L2 kreuzen sich in dem Zentrum der sphärischen Drehung C. Die ersten Schwenkbereiche 311 sind mit der Antriebsscheibe 245 der ersten Antriebseinheit 24 koaxial verbunden und werden durch die Antriebsscheibe 245 zum Drehen angetrieben, so dass die erste gekrümmte Verbindung 31 durch die erste Antriebseinheit 24 angetrieben wird, sich um die erste imaginäre Achse L1 zu drehen.
Das erste Rad 32 ist mit einer dritten imaginären Achse L3 definiert, die durch das Zentrum der sphärischen Drehung C läuft und zwischen den Stäben 31A, 31B der ersten gekrümmten Verbindung 31 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist das erste Rad 32 mit dem ersten Schwenkbereich 311 der ersten gekrümmten Verbindung 31 koaxial verbunden. Daher stimmt die dritte imaginäre Achse L3 mit der ersten imaginären Achse L1 überein. Allerdings können das erste Rad 32 und der erste Schwenkbereich 311 der ersten gekrümmten Verbindung 31 auch nicht koaxial angeordnet werden, so dass die dritte imaginäre Achse L3 nicht mit der ersten imaginären Achse übereinstimmt, wie in 5 gezeigt ist.
Die zweite gekrümmte Verbindung 33 weist einen Stab 33A auf, der zwischen den Stäben 31A, 31B der ersten gekrümmten Verbindung 31 angeordnet ist, sowie eine Spannungseinstellung 33B, die an dem Stab 33A angeordnet ist. Der Stab 33A weist dritte und vierte Schwenkbereiche 331, 332 an zwei Enden auf. Der dritte Schwenkbereich 31 ist drehbar mit den zweiten Schwenkbereichen 312 der ersten gekrümmten Verbindung 31 verbunden und relativ zu den zweiten Schwenkbereichen 312 um die zweite imaginäre Achse L2 drehbar. Darüber hinaus ist die zweite gekrümmte Verbindung 33 mit einer vierten imaginären Achse L4 definiert, die durch den vierten Schwenkbereich 332 und das Zentrum der sphärischen Drehung C läuft.
Das zweite Rad 34 ist zwischen den Stäben 31A, 31B der ersten gekrümmten Verbindung 31 angeordnet und dringt in den dritten Schwenkbereich 331 der zweiten gekrümmten Verbindung 33 ein. Das zweite Rad 34 ist drehbar mit dem zweiten Schwenkbereich 312 der ersten gekrümmten Verbindung 31 verbunden und an dem dritten Schwenkbereich 331 der zweiten gekrümmten Verbindung 33 befestigt, um mit dem dritten Schwenkbereich 331 synchron drehen zu können.
Die Werkzeugverbindung 35 weist an zwei Enden einen fünften Schwenkbereich 351 und einen Installationsbereich 352 auf. Der fünfte Schwenkbereich 351 ist drehbar mit dem vierten Schwenkbereich 332 der zweiten gekrümmten Verbindung 33 verbunden und ist relativ zu dem vierten Schwenkbereich 332 um die vierte imaginäre Achse L4 drehbar. Der Installationsbereich 352 ist angepasst, mit der Werkzeugvorrichtung verbunden zu werden.
Das dritte Rad 36 ist drehbar mit dem vierten Schwenkbereich 332 der zweiten gekrümmten Verbindung 33 verbunden und ist zwischen dem vierten Schwenkbereich 332 und dem fünften Schwenkbereich 351 der Werkzeugverbindung 35 angeordnet. Darüber hinaus ist das dritte Rad 36 an dem fünften Schwenkbereich 351 befestigt, um so mit dem fünften Schwenkbereich 351 synchron zu drehen.
Jedes flexible Band 37, 38 kann, muss aber nicht, ein Stahlseil sein. Das erste flexible Band 37 ist um das Übertragungsrad 264 der zweiten Antriebseinheit 26 und die ersten und zweiten Räder 32, 34 gewickelt und an der Spannungseinstellung 33B der zweiten gekrümmten Verbindung 33 befestigt. Das zweite flexible Band 38 ist um die zweiten und dritten Räder 34, 36 gewickelt und an der Spannungseinstellung 31C der ersten gekrümmten Verbindung 31 befestigt. Wenn das Übertragungsrad 264 durch den Motor 262 zum Drehen angetrieben wird, wird das erste Rad 32 durch das erste flexible Band 37 zum Drehen angetrieben und treibt wiederum das zweite Rad 34 und die zweite gekrümmte Verbindung 33 an, sich um die zweite imaginäre Achse L2 zu drehen. Gleichzeitig wird das zweite flexible Band 38 durch das zweite Rad 34 zum Drehen angetrieben und treibt seinerseits das dritte Rad 36 und die Werkzeugverbindung 35 zum Drehen um die vierte imaginäre Achse L4 an. Darüber hinaus entspricht das Verhältnis der Drehwinkel der Räder 32, 34, 36 dem Verhältnis der äußeren Radien der Räder 32, 34, 36. Daher kann die zweite Antriebseinheit 26 die Drehwinkel der zweiten gekrümmten Verbindung 33 und der Werkzeugverbindung 35 durch Steuern des Drehwinkels des ersten Rads 32 steuern.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Spannungseinstellung 31C so angepasst ist, dass ein Anwender die Spannung des zweiten flexiblen Bands 38 einstellen kann, und die Spannungseinstellung 33B ist so angepasst, dass ein Anwender die Spannung des ersten flexiblen Bands 37 einstellen kann. Jedoch können die ersten und zweiten gekrümmten Verbindungen auch keine derartigen Spannungseinstellungen 31C, 33B aufweisen und die flexiblen Bänder 37, 38 werden an den Stäben 33A, 31A entsprechend befestigt.
In dieser Ausführungsform sind die erste und die zweite gekrümmte Verbindung 31, 33 im Wesentlichen gleich lang. Darüber hinaus entspricht der Außenradius des ersten Rads 32 dem des dritten Rads 36 und beträgt das Doppelte von dem des zweiten Rads 34; anders gesagt beträgt das Verhältnis der Außenradien der ersten bis dritten Räder 32, 34, 36 2:1:2. Dadurch zeigt, unabhängig von der Funktionsweise der Werkzeugverbindung 35, der fünfte Schwenkbereich 351 in etwa in Richtung des ersten Schwenkbereichs 311 der ersten gekrümmten Verbindung 31, so dass der Installationsbereich 352 entgegengesetzt und von dem ersten Schwenkbereich 311 weg zeigt. Dieses Merkmal kann verhindern, dass die Werkzeugvorrichtung gegen die sphärische Kopplung 30 oder die Antriebseinrichtung 20 schlägt und vereinfacht die Berechnung des Programms zum Steuern der sphärischen Kopplung 30. Der Roboterarm der vorliegenden Erfindung muss dieses Merkmal jedoch nicht zwingend aufweisen.
Bezogen auf die vorstehende Aussage, dass die erste und die zweite gekrümmte Verbindung im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen, wird die Länge der ersten gekrümmten Verbindung 31 als die Distanz zwischen der ersten und der zweiten imaginären Achse L1, L2 auf einer imaginären sphärischen Oberfläche definiert, auf der sich der erste und der zweite Schwenkbereich 311, 312 des Stabes 31A oder 31B befinden. Anders gesagt ist die Länge der ersten gekrümmten Verbindung 31 als die Länge eines imaginären Bogens definiert, der sich auf der vorstehend erwähnten imaginären sphärischen Oberfläche befindet, die durch den ersten und den zweiten Schwenkbereich 311, 312 definiert wird und zwei Enden in den Mitten des ersten und des zweiten Schwenkbereichs 311, 312 aufweist. Aufgrund derselben Definition wird die Länge der zweiten gekrümmten Verbindung 33 als die Distanz zwischen der zweiten und der vierten imaginären Achse L2, L4 auf einer imaginären sphärischen Oberfläche definiert, auf der sich der dritte und der vierte Schwenkbereich 331, 332 befinden. Anders gesagt ist die Länge der zweiten gekrümmten Verbindung 33 als die Länge eines imaginären Bogens definiert, der sich auf der vorstehend erwähnten imaginären sphärischen Oberfläche befindet, die durch den dritten und den vierten Schwenkbereich 331, 332 definiert wird und zwei Enden in den Mitten des dritten und des vierten Schwenkbereichs 331, 332 aufweist. Darüber hinaus werden die in der vorliegenden Erfindung erwähnten Außenradien der dritten Räder 32, 34, 36 jeweils als die Kurvenradien der zylindrischen Oberflächen der Räder definiert, auf denen die flexiblen Bänder 37, 38 aufgewickelt sind.
Verglichen mit dem in dem Stand der Technik Teil der Beschreibung aufgeführten herkömmlichen Roboterarm weist der Roboterarm 10 der vorliegenden Erfindung nicht nur dieselbe Funktion auf, sondern auch vorteilhaft weniger gekrümmte Verbindungen und somit eine geringere Größe. Daher ist der Roboterarm 10 der vorliegenden Erfindung bei der Verwendung in einem minimalinvasiven chirurgischen System leichter in einem engen Operationsraum anzuordnen, als der herkömmliche Roboterarm, und lässt dem Operateur mehr Bewegungsspielraum, so dass sogar Operateure, die Links- oder Rechtshänder sind, reibungslos arbeiten können. Darüber hinaus ist der Drehwinkel jeder gekrümmten Verbindung relativ geringer beschränkt, da der Roboterarm 10 relativ weniger gekrümmte Verbindungen aufweist, so dass die Werkzeugvorrichtung in einem relativ größeren Aktionsradius bewegt werden kann.

Claims

Roboterarm (10) umfassend: Eine erste gekrümmte Verbindung (31) mit einem ersten und einem zweiten Schwenkbereich (311, 312) an zwei jeweiligen Enden, und bereitgestellt mit einer ersten und einer zweiten imaginären Achse (L1, L2), die durch den ersten beziehungsweise den zweiten Schwenkbereich (311, 312) laufen und sich in einem Zentrum einer sphärischen Drehung (C) kreuzen, worin der erste Schwenkbereich (311) durch die erste Antriebseinheit (24) zum Drehen angetrieben wird; eine erste Antriebseinheit (24) zum Antreiben der ersten gekrümmten Verbindung (31), damit sich diese um die erste imaginäre Achse (L1) dreht, worin die erste Antriebseinheit (24) einen Motor, zwei Antriebsscheiben (244, 245) und einen Riemen (246) umfasst; ein erstes Rad (32), das mit einer dritten imaginären Achse (L3) definiert vorliegt, die durch das Zentrum der sphärischen Drehung (C) läuft; eine zweite Antriebseinheit (26) zum Antreiben des ersten Rads (32), damit sich dieses um die dritte imaginäre Achse (L3) dreht, worin die zweite Antriebseinheit (26) einen Motor (262) und ein Übertragungsrad (264) umfasst; eine zweite gekrümmte Verbindung (33) mit einem dritten und einem vierten Schwenkbereich (331, 332) an zwei jeweiligen Enden, und bereitgestellt mit einer vierten imaginären Achse (L4), die durch den vierten Schwenkbereich (332) und das Zentrum der sphärischen Drehung (C) läuft, wobei der dritte Schwenkbereich (331) der zweiten gekrümmten Verbindung (33) drehbar mit dem zweiten Schwenkbereich (312) der ersten gekrümmten Verbindung (31) verbunden ist; ein zweites Rad (34), das an dem dritten Schwenkbereich (331) der zweiten gekrümmten Verbindung (33) befestigt vorliegt und mit dem zweiten Schwenkbereich (312) der ersten gekrümmten Verbindung (31) drehbar verbunden ist; ein erstes flexibles Band (37), das um das Übertragungsrad (264), das erste und das zweite Rad (32, 34) herumgewickelt ist und an der zweiten gekrümmten Verbindung (33) befestigt vorliegt, um das zweite Rad (34) und die zweite gekrümmte Verbindung (33) so anzutreiben, dass sie sich um die zweite imaginäre Achse (L2) drehen, wenn sich das erste Rad (32) dreht; eine Werkzeugverbindung (35) und ein drittes Rad (36), die aneinander befestigt vorliegen und mit dem vierten Schwenkbereich (332) der zweiten gekrümmten Verbindung (33) drehbar verbunden sind; worin die Werkzeugverbindung (35) an zwei Enden entsprechend einen fünften Schwenkbereich (351) und einen Installationsbereich (352) aufweist, worin der fünfte Schwenkbereich (351) mit dem vierten Schwenkbereich (332) der zweiten gekrümmten Verbindung (33) drehbar verbunden und relativ 5 zu dem vierten Schwenkbereich (332) über die vierte imaginäre Achse (L4) drehbar ist, worin der Installationsbereich (352) angepasst ist, mit der Werkzeugvorrichtung verbunden zu werden; sowie ein zweites flexibles Band (38), das um das zweite und das dritte Rad (34, 36) herumgewickelt ist und an der ersten gekrümmten Verbindung (31) befestigt vorliegt, um das dritte Rad (36) und die Werkzeugverbindung (35) so anzutreiben, dass sie sich um die vierte imaginäre Achse (L4) drehen, wenn sich das zweite Rad (34) dreht, worin der Außenradius des ersten Rads (32) dem des dritten Rads (36) entspricht und das Doppelte von dem des zweiten Rads (34) ist, so dass der fünfte Schwenkbereich (351) im Wesentlichen auf den ersten Schwenkbereich (311) der ersten gekrümmten Verbindung (31) gerichtet und der Installationsbereich (352) dem ersten Schwenkbereich (311) derart abgewandt ist, dass sich der Installationsbereich (352) auf einer imaginären Ebene erstreckt, die durch die dritte imaginäre Achse (L3), die vierte imaginäre Achse (L4) und das Zentrum der sphärischen Drehung (C) definiert wird; worin die erste gekrümmte Verbindung (31) zwei Stäbe (31A, 31B) aufweist, die sich synchron bewegen, und worin sich die zweite gekrümmte Verbindung (33) und das erste und das zweite Rad (32, 34) zwischen den Stäben (31A, 31B) befinden.
Roboterarm (10) nach Anspruch 1, worin die dritte imaginäre Achse (L3) mit der ersten imaginären Achse (L1) übereinstimmt.
Roboterarm (10) nach Anspruch 1, worin die erste und die zweite gekrümmte Verbindung (31, 33) im Wesentlichen gleich lang sind.
Roboterarm (10) nach Anspruch 1, worin die erste gekrümmte Verbindung (31) eine Spannungseinstellung (31C) aufweist, und worin das zweite flexible Band (38) an der Spannungseinstellung (31C) der ersten gekrümmten Verbindung (31) befestigt ist.
Roboterarm (10) nach Anspruch 1, worin die zweite gekrümmte Verbindung (33) eine Spannungseinstellung (33B) aufweist, und worin das erste flexible Band (37) an der Spannungseinstellung (33B) der zweiten gekrümmten Verbindung (33) befestigt ist.