DE102019001402B3

DE102019001402B3 - Hand- oder fremdgehaltenes robotisches System zur räumlichen Führung eines Endeffektors

Info

Publication number: DE102019001402B3
Application number: DE102019001402.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Schwarz; Dieter Schleich; Michael Mack; Ralf Gundling; Marcus Götz; Bernhard Pelz
Original assignee: Universitaet Heidelberg; MRC Systems GmbH
Current assignee: Universitaet Heidelberg; MRC Systems GmbH
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2039-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung (1) zum Führen eines Werkzeugs (3) für die Bearbeitung von Material, insbesondere für Operationen an Knochengewebe, umfassend:- einen Vorrichtungskörper (6); und- mindestens einen Linearmotor (7) zum Bewegen eines kinematischen Kopplungspunkts für das zu führende Werkzeug entlang einer Führungsachse (L) des Linearmotors, wobei der Linearmotor umfasst:-- einen zumindest in Richtung parallel zur Führungsachse (L) des Linearmotors relativ zum Vorrichtungskörper (6) fixierten Stator (8);-- einen relativ zu dem Stator (8) entlang einer Antriebsbahn des Linearmotors durch magnetische Kräfte angetriebenen und positionierbaren Motorläufer (9);-- eine zumindest in Richtung parallel zur Führungsachse (L) des Linearmotors relativ zum Motorläufer (9) fixiert gekoppelte Führungsstange (13), an welcher der kinematische Kopplungspunkt ausgebildet ist; und-- ein relativ zu dem Vorrichtungskörper befestigtes Stangenlager (14) zur Führung der Führungsstange (13) entlang der Führungsachse (L) des Linearmotors, wobei in zumindest einer Richtung transversal zur Führungsachse (L) des Linearmotors der Stator (8) relativ zu dem Vorrichtungskörper (6) und/oder der Motorläufer (9) relativ zur Führungsstange (13) beweglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hand- oder fremdgehaltenes robotisches System bzw. eine Vorrichtung zum Führen eines Endeffektors, der insbesondere als Werkzeug für eine Materialbearbeitung dient. Bevorzugt soll mittels der Erfindung eine räumliche bzw. mehrdimensionale sehr präzise Führung des Endeffektors angestrebt werden. Der Endeffektor kann auch als Instrument bezeichnet werden und dabei ein mechanisches und/oder feinmechanisches Werkzeug und/oder ein Diagnosewerkzeug umfassen. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet der präzisen Bearbeitung und/oder Begutachtung von Material, insbesondere für chirurgische Eingriffe an oder in Knochengewebe, aber auch Weichgewebe. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfindung auch die Bearbeitung, insbesondere die sehr präzise Bearbeitung von Werkstoffen im Allgemeinen betreffen.
Bisher wurden vom Mensch ausgeführte Tätigkeiten, insbesondere händisch ausgeführte mechanische Tätigkeiten, nur in sehr geringen Maßen durch Roboter und/oder Maschinen unterstützt. Beispielsweise muss ein Operateur bei einer Operation über viele Stunden händische Arbeiten ausführen. Solche Arbeiten können beispielsweise Schnitte setzen, Bohren, Fräsen, Schneiden, Schaben, Nähen umfassen. Bisher werden die Operateure lediglich durch andere assistierende Kollegen unterstützt. Über die Dauer langer Operationen können auch bei sehr geübten und erfahrenen Operateuren Ermüdungserscheinungen auftreten, insbesondere dann, wenn der Operateur, beispielsweise der orthopädische Chirurg, sehr viel eigene körperliche Kraft aufwenden muss. Dies kann zur Folge haben, dass der Operateur fehlerhafte Vorgänge ausübt, beispielsweise ausgelöst durch ein Verrutschen des Instruments bzw. des Werkzeugs oder beispielsweise durch ein Zittern der Hand.
Gerade bei chirurgischen Eingriffen lässt sich in vielen Fällen die Kontrolle und Verantwortung für eine Führung eines chirurgischen Instruments nicht vollständig aus der Hand des Chirurgen geben und an einen Roboter übertragen. Daher ist es wünschenswert, zwar die unmittelbare Kontrolle über das chirurgische Instrument in den Händen des Chirurgen zu belassen, den Chirurgen aber dennoch bei der präzisen Führung des Instruments zu unterstützen. Dies gilt insbesondere für herkömmliche Instrumente (oszillierende Säge o.ä.), bei denen händische Arbeiten weniger präzise ausgeführt werden können als mit Bearbeitungsmaschinen.
Ein anderes Beispiel wären die händisch ausgeführten Tätigkeiten eines Feinmechanikers, beispielsweise eines Juweliers oder eines Uhrmachers, der beispielsweise über viele Stunden kleinste Teile eines Uhrwerks zusammensetzen muss und dabei möglicherweise aus Ermüdung zittrige Hände bekommt.
Es ist lange bekannt, dass Arbeitsvorgänge existieren, die ein hohes Maß an Erfahrung eines Fachmannes und gleichzeitig ein sehr hohes Maß an Präzision erfordern. Es besteht für solche Tätigkeiten entsprechend nicht die Möglichkeit, dass der Fachmann durch eine Maschine und/oder einen Roboter ersetzt werden kann. Dennoch kann auch ein Fachmann mit sehr viel Erfahrung fehlerhaft arbeiten, beispielsweise ausgelöst durch Ermüdungserscheinungen. In den letzten Jahren wurde deshalb erkannt, dass eine Synergie zwischen einer menschlichen Erfahrung und möglicherweise extensiv erprobten Intuition und einer maschinellen bzw. robotischen Intelligenz und/oder Präzision genutzt werden kann. Die sogenannte Mensch-Maschine Interaktion hat zum Ziel, von einem Menschen händisch ausgeführte Vorgänge noch präziser und effizienter durch die Assistenz eines intelligenten robotischen Systems umzusetzen.
DE10 2015 200 428 B3 offenbart ein Verfahren zur Ausrichtung eines mehrachsigen Manipulators mit einem Eingabegerät, welches der Steuerung des Manipulators dient, aufweisend die Schritte eines Ausführens einer oder mehrerer Referenzbewegungen mit dem Eingabegerät, eines Ausführens einer oder mehrerer Referenzbewegungen mit dem Manipulator, eines Erfassens der ausgeführten Referenzbewegungen, eines Berechnens einer Transformationsmatrix basierend auf den erfassten Referenzbewegungen und eines Anwendens der berechneten Transformationsmatrix zur Ausrichtung der Bewegungen des Eingabegeräts mit dem Manipulator.
DE 10 2010 047 308 A1 offenbart eine Manipulationseinrichtung zum Manipulieren und/oder Bearbeiten eines Werkstücks, umfassend eine erste Bewegungseinheit zum Erzeugen einer Linearbewegung eines ersten Bauteils und eine zweite Bewegungseinheit zum Erzeugen einer lineare Bewegung einer zweiten Komponente. Die Bewegungseinheiten sind derart zueinander angeordnet, dass die von den Bewegungseinheiten erzeugbaren Bewegungen parallel zueinander ausgerichtet sind. Das erste Scharniergelenk umfasst einen ersten Führungsarm, der mittels eines Drehgelenks mit der ersten Komponente gekoppelt ist, und das zweite Scharniergelenk umfasst einen zweiten Führungsarm, der mittels eines Drehgelenks mit der zweiten Komponente gekoppelt ist. Der erste Führungsarm und der zweite Führungsarm sind durch mindestens ein Drehgelenk direkt oder indirekt miteinander gekoppelt, um relativ zueinander schwenkbar zu sein.
DE 10 2007 057 833 A1 offenbart eine Führung mit einem integrierten Linearmotor mit einem beweglichen Teil, der mit einem Tisch verbunden ist, und einem festen Teil, der mit einem festen Träger verbunden ist. Zur Positionierung des Tisches sind Magnetlager vorgesehen. Ein Positionsmesssystem weist einen Messstab und Tastköpfe auf, wobei das System eine Position des Tisches sowohl in einer Führungsrichtung als auch in einer quer zur Abweichungsrichtung liegenden Führungsrichtung und parallel zu einer Ebene eines Luftspalts des Motors erfasst. Die Lager werden so betätigt, dass der Tisch in der Abweichungsrichtung positioniert ist.
DE 699 18 569 T2 offenbart einen chirurgischen Manipulator, der ein medizinisches Werkzeug sein kann und ein oder mehrere Freiheitsgraden zum Manipulieren aufweisen kann. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Manipulator ein Parallelmechanismus mit mehreren Armen, die ein medizinisches Werkzeug schwenkbar lagern, wobei die Ausrichtung des medizinischen Werkzeugs durch Variieren der Gelenkposition eingestellt wird.
DE 698 16 133 T2 offenbart eine Vorrichtung mit zwei Verbindungsmechanismen mit jeweils mindestens drei Stangen, von denen sich eine erste und eine zweite Stange gleicher Länge parallel zueinander erstrecken und durch mindestens eine dritte Stange schwenkbar miteinander verbunden sind. Die zwei ersten und zwei dritten Stangen beider Mechanismen sind an einem gemeinsamen Hauptzapfen schwenkbar verbunden.
US 4 687 400 A offenbart eine Vorrichtung zum Bewegen von Gegenständen, die einen Greifmechanismus zum Ergreifen und Freigeben von Gegenständen und einen Betätigungsmechanismus zum Betätigen des Greifmechanismus und zum Bewegen des Greifmechanismus aufweist. Der Betätigungsmechanismus enthält ein Paar Armkörper, von denen sich jeder entlang eines linearen Weges verschiebbar durch eine Wand im Behälter bewegt. Infolge der linearen Bewegung der Armkörper können Dichtungen verwendet werden, um die Öffnung ausreichend abzudichten, um eine Gleitbewegung zu ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt besteht eine Aufgabe darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Führen eines Endeffektors, basierend auf einer fortgeschrittenen Mensch-Maschine Interaktion bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Besondere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zum Führen und insbesondere zum mehrdimensionalen Bewegen eines Werkzeugs für die Bearbeitung von Material, insbesondere für Operationen an Knochengewebe. Dabei umfasst die Vorrichtung einen handhabbaren Vorrichtungskörper, insbesondere in Form eines Gehäuses oder einer Rahmenstruktur. Dieser Vorrichtungskörper kann vorzugsweise direkt oder indirekt von einem Benutzer (z.B. einem Chirurgen) gehalten und geführt werden. Dazu kann der Vorrichtungskörper entsprechende Griffe bzw. Halteelemente aufweisen. Außerdem umfasst die Vorrichtung mindestens einen elektrisch getriebenen (ersten) Linearmotor zum Bewegen eines kinematischen Kopplungspunkts für das zu führende Werkzeug entlang einer Führungsachse (Schubachse) des Linearmotors. Dabei umfasst der (erste) Linearmotor einen zumindest in Richtung parallel zur Führungsachse des (ersten) Linearmotors relativ zum Vorrichtungskörper befestigten bzw. fixierten bzw. unbeweglich angebrachten (ersten) Stator. Der (erste) Stator weist also in axialer Richtung (d.h. parallel zur Führungsachse) im Wesentlichen keine Beweglichkeit relativ zum Vorrichtungskörper auf. Damit ist der (erste) Stator in axialer Richtung sehr präzise über die axiale Positionierung des Vorrichtungskörpers durch den Benutzer festgelegt bzw. kontrollierbar.
Außerdem umfasst der (erste) Linearmotor einen relativ zu dem (ersten) Stator entlang einer im Wesentlichen linearen (ersten) Antriebsbahn durch elektrisch betriebene magnetische Kräfte angetriebenen und positionierbaren (ersten) Motorläufer. Dies soll ermöglichen, eine Bewegung des zu führenden Werkzeugs in zumindest einer Dimension zusätzlich elektrisch steuern oder regeln zu können. Damit können möglicherweise ungewollte Bewegungen (z.B. Erschütterungen, Zittern, usw.) des Werkzeugs und/oder des Vorrichtungskörpers zumindest teilweise vermieden oder kompensiert werden. Eine Antriebsbahn ist dabei beispielsweise die Bahn bzw. die Trajektorie, die ein Motorläufer nimmt, wenn er durch die elektrische Betätigung mittels der Magnetfelder von Elektromotoren angetrieben wird.
Um entsprechende Bewegungen vom Motorläufer auf das Werkzeug zu übertragen, umfasst der (erste) Linearmotor eine zumindest in Richtung parallel zur (ersten) Führungsachse des (ersten) Linearmotors relativ zum (ersten) Motorläufer fixiert gekoppelte (erste) Führungsstange, an welcher der kinematische Kopplungspunkt ausgebildet ist. Dabei ist der kinematische Kopplungspunkt vorzugsweise an einem vorderen Ende oder im Bereich eines vorderen Endes der Führungsstange ausgebildet, während an einem gegenüberliegenden, hinteren Ende oder im Bereich eines hinteren Endes ein Kopplungslager zur (direkten oder indirekten) Kopplung des Motorläufers an die Führungsstange ausgebildet ist. Die Führungsstange dient damit gleichzeitig als Schubstange des (ersten) Linearmotors, was eine besonders leichte Bauweise begünstigt und damit die Handhabbarkeit vorteilhaft beeinflusst. Die (erste) Führungsstange weist also in axialer Richtung (d.h. parallel zur Führungsachse) im Wesentlichen keine Beweglichkeit relativ zum (ersten) Motorläufer auf. Damit ist der (erste) kinematische Kopplungspunkt für das zu führende Werkzeug in axialer Richtung sehr präzise über die axiale Positionierung des Motorläufers relativ zum Stator festgelegt bzw. kontrollierbar.
Schließlich umfasst der (erste) Linearmotor ein relativ zu dem Vorrichtungskörper befestigtes (erstes) Stangenlager (Führungslager), bevorzugt in Form einer Manschette oder Buchse zur Führung, insbesondere zur Präzisionsführung der (ersten) Führungsstange entlang der Führungsachse des Linearmotors. Die (erste) Führungsstange (Schubstange des ersten Linearmotors) und damit der kinematische Kopplungspunkt weist also in transversaler Richtung (d.h. senkrecht zur Führungsachse) im Wesentlichen keine Beweglichkeit relativ zum Vorrichtungskörper auf. Damit ist die Richtung der (ersten) Führungsachse sehr präzise über die transversale Positionierung des Vorrichtungskörpers durch den Benutzer festgelegt bzw. kontrollierbar. Die Führungsachse kann beispielsweise die zentrale Achse der Führungsstange sein, die sich im idealen Fall nicht bezüglich des Führungslagers und des Vorrichtungskörpers ändert.
Erfindungsgemäß ist nun aber in zumindest einer Richtung transversal zur (ersten) Führungsachse des (ersten) Linearmotors der (erste) Stator relativ zu dem Vorrichtungskörper und/oder der (erste) Motorläufer relativ zur (ersten) Führungsstange um eine transversale Kompensationslänge versetzbar bzw. beweglich bzw. verrückbar. Es ist also zumindest entweder der Stator mit transversalem Spiel relativ zum Vorrichtungskörper oder der Motorläufer mit transversalem Spiel relativ zum Führungsstange gelagert, während axial im Wesentlichen kein Spiel auftritt.
Damit wird im Rahmen der Erfindung erreicht, dass der Motorläufer für eine axial sehr präzise Führung sehr eng mit der als Schubstange ausgelegten Führungsstange des Linearmotors gekoppelt werden kann und gleichzeitig mit einem sehr geringen Luftspalt zum Stator konstruiert und betrieben werden kann, ohne dass es im Betrieb zu einem Verkanten des Motorläufers relativ zum Stator kommt, was die Präzision einer axialen Positionierung beeinträchtigen könnte. Selbst wenn konstruktionsbedingt oder betriebsgedingt die Antriebsbahn des Motorläufers nicht perfekt mit der Führungsachse der Führungsstange ausgerichtet ist, verhindert das transversale Spiel zwischen Stator und Vorrichtungskörper und/oder zwischen Motorläufer und Führungsstange ein Verkanten des Motorläufers relativ zum Stator, selbst wenn ein für den Betrieb des Linearmotors nötiger Spalt zwischen Motorläufer und Stator sehr gering gewählt wird. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit, den Spalt zwischen Motorläufer und Stator sehr gering zu wählen, kann die magnetische Kopplung zwischen Motorläufer und Stator deutlich erhöht werden, was wieder erlaubt, vergleichsweise kleine und damit leichte Magnetkomponenten bzw. Magnetspulen zu verwenden, ohne an Positionierungsgenauigkeit zu verlieren. Die Verwendung leichterer und kompakterer Komponenten wiederum verbessert die Handhabbarkeit der Vorrichtung wesentlich.
Ein Verkannten und/oder Anecken von Motorläufer und Stator kann insbesondere dann auftreten, wenn die Antriebsbahn nicht perfekt parallel zu der sehr genau definierten Führungsachse verläuft. Im Wesentlichen ist die Antriebsbahn parallel zur Führungsachse, kann jedoch kleine Abweichungen in der Parallelität aufweisen. Beispielsweise kann eine Führungsschiene, die im Wesentlichen die Antriebsbahn des Motorläufers definiert, Unebenheiten aufweisen. Dies kann dazu führen, dass die Vorrichtung nicht in der Lage ist, das Werkzeug präzise zu führen, und/oder bei dem Verkanten ins Stocken gerät und die Vorrichtung dadurch möglicherweise beschädigt wird. Dennoch soll die Führungsstange sehr präzise entlang der Führungsachse geführt werden, um das Werkzeug, möglicherweise ein feinmechanisches Werkzeug, sehr genau und präzise an seinen Bestimmungsort führen zu können. Dies gewährleistet das relativ zu dem Vorrichtungskörper befestigte Stangenlager. Bevorzugt ist das Stangenlager in Form einer Manschette oder Buchse zur Führung, insbesondere zur feinmechanischen Präzisionsführung, ausgebildet. Das Stangenlager kann dabei zur sehr präzisen Führung beispielsweise ein Kugellager umfassen. Wesentlich ist dabei, dass die Führungsachse sehr präzise, und konstant bezüglich des Vorrichtungskörpers definiert ist. Erwünscht wäre in der Regel eine Antriebsbahn des Motorläufers, welche möglichst präzise parallel zu der wohlausgerichteten Führungsachse verläuft. Da jedoch in der Realität Abweichungen in der Parallelität der Antriebsbahn zu der Führungsachse auftreten können, ist ein die Abweichung ausgleichender Freiheitsgrad gegeben durch den Stator und/oder den Motorläufer bezüglich der Führungsstange und damit bezüglich der Führungsachse und damit bezüglich des Vorrichtungskörpers.
Eine möglichst nahe Führung des Motorläufers an einem Stator bewirkt, dass für den Fall, dass der Stator und der Motorläufer miteinander wechselwirkende Magnetfelderzeugende Elemente umfassen, eine sehr kurze Distanz zwischen den Austrittspunkten der Magnetfelder gewährleistet sein kann. Dies hat den Vorteil, dass die Kraft eines Magnetfeldes, welches mit zunehmender Distanz von dem Austrittspunkt der Magnetfeldlinien stark abfällt, effizienter ausgenutzt werden kann. Dies wiederum kann dazu führen, dass auf magnetische Rückschlüsse (Magnetjoche) bzw. leicht magnetisierbare Elemente zur Bündelung und/oder verbesserten Nutzung des Magnetfeldes der Elektromotoren, insbesondere der Spulen von Elektromotoren verzichtet werden kann. Daraus ergibt sich, dass eine Vorrichtung verwirklich werden kann, welche besonders leicht und kompakt ausgebildet ist.
Eine derart verbesserter Direktantrieb bzw. Linearantrieb führt insgesamt zu einer verbesserten, kompakteren und effizienteren Vorrichtung zum präziseren Führen eines Werkzeugs zum Bearbeiten von Material.
Ein Linearmotor und insbesondere eine Anordnung aus einem Stator und einem Läufer kann allgemein auch als „Aktor“ verstanden bzw. bezeichnet werden. Ein Vorrichtungskörper kann auch als „Chassis“ oder als „zentrales Element“ umfassend einen Bezugspunkt verstanden bzw. bezeichnet werden.
Vorzugsweise ist der Stator zumindest abschnittsweise relativ zum Vorrichtungskörper um eine Statorkompensationsverschiebung transversal beweglich, welche um zumindest einen Faktor 5, vorzugsweise zumindest einen Faktor 10, noch mehr bevorzugt zumindest einen Faktor 20, am meisten bevorzugt zumindest einen Faktor 50 größer ist als eine transversale Beweglichkeit der Führungsstange relativ zum Stangenlager und/oder als eine longitudinale Beweglichkeit des Motorläufers relativ zur Führungsstange.
Alternativ oder zusätzlich ist der Motorläufer vorzugsweise zumindest abschnittsweise relativ zur Führungsstange um eine Läuferkompensationsverschiebung transversal beweglich, welche um zumindest einen Faktor 2, vorzugsweise zumindest einen Faktor 8, noch mehr bevorzugt zumindest einen Faktor 10, am meisten bevorzugt zumindest einen Faktor 15 größer ist als eine transversale Beweglichkeit der Führungsstange relativ zum Stangenlager und/oder als eine longitudinale Beweglichkeit des Motorläufers relativ zur Führungsstange.
Vorzugsweise liegt die Statorkompensationsverschiebung und/oder die Läuferkompensationsverschiebung im Bereich von etwa 0,25 mm bis etwa 2 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 1,75 mm.
Vorzugsweise umfasst der Stator eine Vielzahl von Elektromagneten und der Motorläufer zumindest einen Permanentmagneten, vorzugsweise eine Vielzahl von Permanentmagneten. Dabei dienen die Elektromagnete und die Permanentmagnete zur Erzeugung der magnetischen Kräfte für den Antrieb und die Positionierung des Motorläufers relativ zum Stator entlang der Antriebsbahn. Die Elektromagnete sind dabei elektrisch ansteuerbar. Dadurch können die magnetischen Kräfte und somit eine Bewegung und/oder Positionierung des Motorläufers über die Elektromagnete des Stators gesteuert bzw. geregelt werden. Insbesondere ist damit keine elektrische Verbindung bzw. Verkabelung des beweglichen bzw. bewegten Motorläufers erforderlich. Lediglich der relativ zum Vorrichtungskörper zumindest in axialer Richtung bzw. parallel zur Führungsachse unbeweglich angebrachten bzw. fixierten Stator wird über elektrische Leitungen zur Versorgung und/oder Ansteuerung der Elektromagnete verbunden. Dieser Aspekt kann für die Realisierung einer insbesondere kompakten und leichten Vorrichtung vorteilhaft sein. Insbesondere die Ausführungsform, bei der ein Motorläufer Permanentmagnete umfasst und kürzer als der/die Statoren ist hat den Vorteil, dass das Gewicht und somit die Trägheit eines Motorläufers verringert ist. Es wird entsprechend weniger Kraft und Energie benötigt, um einen solchen Motorläufer zu bewegen, insbesondere wenn der Motorläufer gegen die Schwerkraft bewegt wird. Ferner spricht der Motorläufer wegen seiner verringerten Trägheit schneller auf eine Ansteuerung an.
Vorzugsweise umfasst der Stator eine Vielzahl von Magnetspulen mit jeweiligen, zueinander parallelen Spulenachsen, welche im Wesentlichen senkrecht zur Führungsachse des Linearmotors verlaufen und vorzugsweise in einer Ebene im Wesentlichen parallel zur Führungsachse des Linearmotors liegen. Vorzugsweise liegen die Spulenachsen jeweils benachbarter Spulen äquidistant zueinander.
Vorzugsweise umfasst der Motorläufer eine Vielzahl von in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Führungsachse nebeneinander angeordnete Permanentmagneten mit abwechselnder Polung. Insbesondere liegen die Polachsen in einer Ebene im Wesentlichen parallel zur Führungsachse, insbesondere in einer gemeinsamen Ebene mit den Spulenachsen des Stators.
Vorzugsweise umfasst der Stator zwei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Wände, wobei bevorzugt beide Wände eine Vielzahl von Spulen eines Elektromotors beinhalten, die magnetische Felder in einem Zwischenraum bzw. Spalt zwischen den Wänden ausbilden können, wenn sie elektrisch betrieben werden. In mindestens einem Abschnitt zwischen den Wänden bzw. innerhalb mindestens eines Bereichs des Zwischenraums kann zumindest ein Abschnitt des Motorläufers, der bevorzugt in einem Abschnitt Permanentmagnete umfasst, die in den Zwischenraum der Wände ragt, entlang der Antriebsbahn geführt werden.
Die Wände des Stators sind dabei bevorzugt so ausgebildet, dass sie eine Länge entlang der Antriebsbahn, die im Wesentlichen parallel zu der Führungsachse ist, aufweisen. Die Wände weisen Hauptflächen, bevorzugt in rechteckiger Form, auf, welche den Hauptteil der Oberflächen der Wände bilden. Bevorzugt sind die Hauptflächen der Wände im Wesentlichen parallel zueinander entlang der Länge der Wände derart ausgerichtet, dass ein Zwischenraum zwischen den Wänden ausgebildet wird. Die bevorzugt rechteckigen Hauptflächen werden bestimmt durch die Länge und eine Breite. Ferner weisen die Wände eine Dicke auf. Bevorzugt bildet die Dimension der Dicke einen rechten Winkel mit der Hauptfläche der Wände. Bevorzugt ist die Richtung der Antriebsbahn senkrecht zu der Dicke und entsprechend parallel zu den parallel zueinander ausgerichteten Längen der Hauptflächen.
Optional kann eine Wand bevorzugt jedoch beide Wände jeweils mindestens eine Reihe nebeneinander aufgereihter Elektromagnete umfassen, die derart ausgerichtet sind, dass sie im Betrieb magnetische Felder erzeugen, die in den Zwischenraum der Wände ragen. Bevorzugt ist der Zwischenraum zwischen den Wänden besonders schmal ausgebildet, derart, dass ein hindurchgeführter Motorläufer und insbesondere dessen Permanentmagnete einen besonders kleinen Abstand zu den Wänden aufweist bzw. aufweisen um die Magnetfelder besonders effizient nutzen zu können. Dabei kann beispielsweise ein Luftspalt von wenigen zehntel Millimetern Breite zwischen dem Motorläufer und den Wänden des Stators verwirklicht werden.
Beispielsweise kann eine Wand eine Länge von 3 bis 30 cm, bevorzugt 7 bis 24 cm, insbesondere 12 bis 20 cm aufweisen. Eine Wand kann beispielsweise eine Breite aufweisen, die ein Drittel so lang ist, wie eine Länge der Wand, beispielsweise 1,5 bis 10 cm, bevorzugt 3,5 bis 7,5 cm und insbesondere 4 bis 6 cm. Eine Wand kann beispielsweise 0,035 bis 2 cm, insbesondere 0,1 bis 0,75 cm dick sein. Vorzugsweise beträgt die Dicke einer Wand etwa ein Zehntel bis zwei Hundertstel, insbesondere ein Hundertstel der Länge einer Wand.
Die flächige Ausformung der Hauptflächen der Wände bietet eine besonders große Oberfläche, aus der viele Magnetfeldlinien beispielsweise besonders vieler Elektromagnete bzw. Spulen austreten können. Ferner kann auch ein Motorläufer bevorzugt derart ausgestaltet sein, dass er eine besonders große Fläche, insbesondere Breite aufweist. Dabei kann die Breite des Motorläufers in etwa der Breite der Hauptfläche der Wand entsprechen oder etwa halb so breit sein. Die Breite des Motorläufers ist im Betrieb entlang der Breite der Hauptfläche der Wand ausgerichtet. Die Länge des Motorläufers kann beispielsweise ein Halb bis ein Zehntel, insbesondere ein Halb bis ein Viertel, bevorzugt ein Halb bis ein Drittel der Länge des Stators entsprechen. Die Länge des Motorläufers ist im Betrieb entlang der Länge der Hauptfläche der Wand ausgerichtet. Der Spalt zwischen zwei Wänden kann mehrere Zentimeter bis wenige Millimeter, insbesondere 5 cm bis 0,1 cm, besonders 2 cm bis 0,5 cm und bevorzugt 1 cm bis 0,2 cm von Wand zu Wand auf kürzestem Abstand breit bzw. dick sein. Der Motorläufer kann, wenn er zwischen den Wänden in dem Zwischenraum gelagert ist, beispielsweise nur einen sehr schmalen Luftspalt bzw. eine Lücke zu beiden Seiten, also nur wenig von beiden Wänden beabstandet sein. Die Lücke kann beispielsweise jeweils 0,2 bis 0,75 mm, bevorzugt 0,2 bis 0,5 mm breit sein.
Die genannten Werte sollen nicht begrenzend auf den Umfang der Erfindung verstanden werden. Die Werte dienen lediglich als Maße beispielhafter optionaler Ausführungsformen.
Die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung ermöglicht es insbesondere ein Luftspalt zwischen dem Stator und dem Motorläufer sehr klein zu wählen, ohne dass der Motorläufer im Stator verkantet. Vorzugsweise ist ein solcher Luftspalt jeweils nicht größer als etwa 0,75 mm, bevorzugt 0,2 bis 0,5 mm groß. Nicht zuletzt dadurch ist es wiederum möglich, die magnetischen Kräfte zwischen Motorläufer und Stator auch dann noch groß genug zu halten, wenn auf einen magnetischen Rückschluss (z.B. im Außenbereich der Statorspulen) verzichtet wird. Besonders bevorzugt weist somit der Stator an der dem Motorläufer abgewandten Seite kein magnetisches Joch auf. Dadurch wird die Vorrichtung sehr leicht und kompakt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erweist sich, wie bereits genannt, als äußerst effizient in der Nutzung von Kräften magnetischer Felder zum Bewegen bzw. Antreiben von Motorläufem. Insbesondere können die Elektromagnete wegen der besonders kompakten Bauweise und der verbesserten Nutzung der magnetischen Wechselwirkungen durch die räumliche 4/3 Aufteilung der Permanent- und der Elektromagnete derart effizient genutzt werden, dass auf sogenannte magnetische Rückschlüsse verzichtet werden kann. Es kann also wegen der bereits effizienten Ausgestaltung der Vorrichtung darauf verzichtet werden, dass weitere leicht magnetisierbare Elemente in der Nähe der Elektromagnete als magnetische Rückschlüsse angebracht bzw. positioniert werden. Das betrifft natürlich insbesondere nicht den Motorläufer, der Permanentmagnete umfassen kann, benachbarte Spulen bzw. Elektromagnete oder Kabel, die zur Stromversorgung dienen und benachbarte andere Linearmotoren. Insbesondere betrifft diese Ausführungsform Elemente, die insbesondere zur effizienten Nutzung der Magnetfelder der Elektromagneten dienen sollen und die möglicherweise dazu führen könnten, dass die Vorrichtung durch deren Anbringung schwerer werden würde. Derart und mit Hilfe der Synergieeffekte der Merkmale verschiedener Ausführungsformen kann eine kompakte leichte Bauweise erzielt werden bei gleichzeitig effizienter Nutzung der Elektromagnete.
Vorzugsweise wird der Motorläufer mittels einer relativ zu dem Stator befestigten Motorläuferführungsschiene, insbesondere einer Präzisionsschiene, geführt. Vorzugsweise wird der Motorläufer entlang der Antriebsbahn, im Wesentlichen parallel zu der Führungsachse angetrieben und durch eine Motorläuferführungsschiene, die beispielsweise zwischen zwei Wänden des Stators bezüglich des Stator befestigt ist, geführt. Die Führung kann dabei eine Präzisionsführung sein, die den Motorläufer möglichst präzise und insbesondere reibungsarm führt. Die Führungsschiene kann beispielsweise dieselbe Länge haben, wie zwei Wände, zwischen denen sie angebracht ist. Ferner kann die Führungsschiene beispielsweise auch nur ein Halb bis ein Achtel so lang sein, wie zwei Wände, zwischen denen sie angebracht ist. Derart kann ein Motorläufer über einen Großteil der Länge der Wände geführt werden und somit kann ein Dynamikbereich effizient genutzt bzw. optimiert werden.
Optional kann der Stator einer Vorrichtung eine Mehrzahl von Positionsmesseinheiten zum Bestimmen der Position des Motorläufers relativ zum Stator umfassen. Solche Positionsmesseinheiten können beispielsweise eine Skalierung sein und/oder ein Sensor, der auf einem Hall-Effekt basiert und/oder ein Indexmagnet sein.
Vorzugsweise weist eine Einheit von vier abwechselnd gepolten in einer Richtung parallel zur Führungsachse des Linearmotors nebeneinander angeordneten Permanentmagneten des Motorläufers eine Länge in Richtung parallel zur Führungsachse auf, die einer Länge von drei in einer Richtung parallel zur Führungsachse nebeneinander angeordneter Magnetspulen des Stators entspricht.
Dabei können die Permanentmagnete derart angeordnet sein, dass unterschiedliche Pole jeweils zwei benachbarter Permanentmagnete in eine Richtung zeigen. In anderen Worten sind die Permanentmagnete abwechselnd gepolt aufgereiht.
Es wurde von den Erfindern erkannt, dass eine 4/3 Aufteilung der räumlichen Ausdehnung zwischen Permanentmagneten und Elektromagneten besonders effiziente Ergebnisse für das Antreiben bzw. Bewegen eines Motorläufers bewirkt. In anderen Worten kann ein Linearmotor besonders effizient genutzt werden, wenn vier Permanentmagnete eines Motorläufers, die der Länge nach in Antriebsrichtung aufgereiht sind, zusammen im Wesentlichen eine Länge von drei der Länge nach in Antriebsrichtung aufgereihter Elektromagnete entspricht.
Besonders bevorzugt umfasst der Motorläufer zwei bis vier der Einheiten von jeweils vier abwechselnd gepolten in einer Richtung parallel zur Führungsachse des Linearmotors nebeneinander angeordneten Permanentmagneten.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass sich die Verwendung von vier Permanentmagneten pro Einheit als besonders effizient im Antreiben bzw. Bewegen des Motorläufers erweist. Dabei kann insbesondere in dieser Ausführungsform ein Optimum von Trägheit bzw. Masse und Kraftübertragung durch magnetische Felder erzielt werden, derart, dass das Antreiben bzw. Bewegen des Motorläufers besonders effizient ist bei gleichzeitig kompakter und leichter Ausgestaltung der Vorrichtung.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von Linearmotoren mit jeweils einer Führungsachse. Vorzugsweise sind diese Linearmotoren im Wesentlichen analog zu dem bereits beschriebenen (ersten) Linearmotor ausgebildet, aber getrennt ansteuerbar. Damit kann die Vorrichtung mehrdimensionale Bewegungen eines Werkzeugs bewirken.
Eine Vorrichtung kann beispielsweise zur eindimensionalen Bewegung eines Werkzeugs bzw. Endeffektors nur einen Linearmotor umfassen. In anderen Worten kann eine Vorrichtung mit nur einem Linearmotor lediglich eine Vor- und ZurückBewegung ausführen. Für die Bewegung eines Werkzeuges in mehreren Dimensionen, ist es jedoch wünschenswert, dass mehrere Linearmotoren beitragen zur Bewegung des Werkzeugs in jeweils einer Dimension bzw. in einem Freiheitsgrad. So kann beispielsweise eine Anordnung aus drei Linearmotoren dazu führen, dass ein Werkzeug in drei Freiheitsgraden geführt werden kann, insbesondere wenn die Achsen gekoppelt werden. Dazu gibt es beispielsweise einen ersten Linearmotor mit einer ersten Antriebsbahn und einer ersten Führungsachse, einen zweiten Linearmotor mit einer zweiten Antriebsbahn und einer zweiten Führungsachse und einen dritten Linearmotor mit einer dritten Antriebsbahn und einer dritten Führungsachse. Dabei kann es sich insbesondere bei einer Anordnung umfassend ein bis drei Linearmotoren um eine Parallelanordnung ähnlich zu einer Parallelkinematik handeln, wobei alle Antriebsbahnen bzw. Führungsachsen in Wesentlichen parallel zu einander ausgerichtet sind. Ferner kann es auch Anordnungen aus mehr als drei Linearmotoren geben. Beispielsweise umfasst ein sogenannter Hexapod sechs Linearmotoren, die zusammen die Bewegung bzw. Positionierung in sechs Freiheitsgrade eines Endeffektors ermöglichen.
Vorzugsweise sind die Linearmotoren symmetrisch um eine zentrale Achse des Vorrichtungskörpers derart angeordnet, dass die Längsachsen der Linearmotoren parallel zueinander ausgerichtet sind.
Optional kann eine Vorrichtung über eine Positionserfassung verfügen zur Erfassung einer tatsächlichen Ist-Position des Werkzeugs bezüglich eines Vorrichtungs-externen Bezugspunktes und/oder eines Vorrichtungs-internen Bezugspunktes, vorzugsweise basierend auf einer Vorrichtungs-externen und/oder einer Vorrichtungs-internen Positionserfassung.
Optional kann eine Recheneinheit zur Ermittlung von Soll-Werkzeugpositionen und/oder zur Planung einer Werkzeugtrajektorie, insbesondere basierend auf CAD-Daten, CT-Daten oder auf Daten anderer bildgebender Verfahren dienen.
Optional kann die Recheneinheit dazu ausgelegt sein, erfasste Ist-Werkzeugpositionen mit ermittelten Soll-Werkzeugpositionen zu vergleichen und Korrekturwerte zu ermitteln.
In einem Aspekt umfasst die Vorrichtung außerdem ein Störgrößenkompensationssystem zur Kompensation, insbesondere zur Vorwärtskompensation von Störbeschleunigungen. Eine direkte Vorwärtskompensation wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Beschleunigungen an Umgebungsschnittstellen erfasst werden und eine Ausfilterung der Beschleunigungen stattfindet, die im Frequenzbereich der an der jeweiligen Umgebungsschnittstelle einwirkenden charakteristischen Störungen liegen (z.B. das Muskelzittern (Tremor) am Handgriff 17). Die Kompensation der Störbeschleunigungen erfolgt anschließend durch eine Aufschaltung entsprechender Gegenkräfte. Die charakteristischen Frequenzbereiche der Störkräfte liegen an der Bedienerschnittstelle z.B. durch den Tremor des Bedieners vorzugsweise zwischen 3 Hz und 30 Hz, an der Werkstückschnittstelle in Abhängigkeit des verwendeten Werkzeugs vorzugsweise zwischen 50 Hz (z.B. oszillierende Säge) und 120 kHz(z.B. rotierender Highspeed-Fräser). An beiden Schnittstellen könnten durch die Atmung des Bedieners oder des Patienten noch Störfrequenzen von vorzugsweise 0,01 Hz bis 3 Hz auftreten. Zumindest der Frequenzbereich von vorzugsweise 0 Hz bis 3 Hz sollte jedoch nicht vollständig kompensiert werden, da er für die Führung des Gerätes erforderlich ist.
Die Vorrichtung nach einem Aspekt kann ferner zum vollautomatischen, händischen, oder halbautomatischen Führen eines Werkzeugs dienen. Dies bedeutet, dass bei einer händischen Führung des Werkzeugs ein Bediener physikalisch Hand an die Vorrichtung anlegt. In dem Fall können Störeinflüsse verursacht durch den Bediener durch die Vorrichtung bevorzugt korrigiert bzw. kompensiert werden. Auch kann die Vorrichtung optional vollautomatisch also nur durch einen Roboter beispielsweise geführt werden. In dem Fall könnte beispielsweise eine zuvor berechnete Trajektorie des Werkzeugs den Bestimmungsort bzw. eine Soll-position bzw. eine Soll-Trajektorie festlegen. Allein ein Roboter kann dann gemäß der berechneten Trajektorie das Werkzeug zu dem entsprechenden Bestimmungsort führen. Bei einer halbautomatischen Ausführung kann beispielsweise ein Bediener per Fernsteuerung eine Führung eines Werkzeuges überwachen und/oder ansteuern, was allerdings lediglich dann automatisch per Roboter beispielsweise umgesetzt wird.
Insbesondere bei der Interaktion zwischen menschlicher Führung der Vorrichtung und robotischer Assistenz beispielsweise durch Störgrößenkompensation, kann eine Mensch-Maschine-Synergie genutzt werden. Der Mensch als Bediener hat die Erfahrung, Fachkenntnis und Intuition, die ihm ein Arbeitsvorgang abverlangt. Die Maschine hingegen assistiert dem Bediener der Vorrichtung derart, dass diese möglichst präzise funktioniert und gleichzeitig möglicherweise Fehler des Bedieners korrigieren kann. Dabei ist es vorteilhaft, dass der Bediener durch eine händische Führung der Vorrichtung auch ein haptisches Feedback über die Vorgänge erhält.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung der Vorrichtung nach einem der hier beschriebenen Aspekte zur (nichttherapeutischen) Bearbeitung von Material, insbesondere von Knochengewebe, Weichteilen und anderen Teilen (Organen) des menschlichen und/oder tierischen Körpers oder zur Bearbeitung von Werkstoffen.
Einzelne vor- und/oder nachstehend genannte Aspekte der Erfindung, die sich nicht gegenseitig ausschließen, können beliebig miteinander kombiniert werden oder falls sie voneinander unabhängig sind, als separate Aspekte in Verbindung mit der Erfindung umgesetzt werden.
Konkrete Daten und Werte, die in der Beschreibung angegeben werden, sollen als Beispiel für besondere Ausführungsformen und zum Verständnis des Lesers dienen. Die Werte sollen den Umfang der Erfindung ausdrücklich nicht beschränken.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Vorrichtung können bei einer Bearbeitung eines Materials, beispielsweise bei einem Fräsen oder Bohren auftretende Störungen durch eine Störkraftkompensation kompensiert werden, bevor sich die aus den Störkräften ergebenden Beschleunigungen zu einem Positionsfehler aufintegrieren können. Solche Störungen können ausgelöst werden durch Inhomogenitäten in dem Werkstoff bzw. zu bearbeitenden Material und/oder durch den Bediener, der die Vorrichtung nicht präzise führt, und/oder durch sonstige äußere und/oder innere Einflüsse bezüglich der Vorrichtung. Bevorzugt ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass beispielsweise eine fehlerhafte händische Führung der Vorrichtung, die beispielsweise durch ein Zittern des Bedieners verursacht sein kann, durch die Vorrichtung derart kompensiert bzw. korrigiert wird, dass ein Instrument dennoch sehr präzise an seinen Bestimmungsort geführt wird. Auch bei einer robotischen Führung der Vorrichtung kann eine fehlerhafte Führung auftreten, beispielsweise durch eine Vibration die z.B. beim Fräsen oder Bohren eines Materials ausgelöst wird.
Derart kann die vorliegende Erfindung im Allgemeinen eine Anwendung in Bereichen finden, in denen sehr präzise mechanische händische oder automatische oder halbautomatische Bearbeitungen von Materialien erfordert werden. Bevorzugt kann die Erfindung auf dem Gebiet der Medizinrobotik, der Medizintechnik, insbesondere der Orthopädie und der Unfallchirurgie, der Chirurgie, der Neurochirurgie, sowie der Kardiochirurgie etc. Anwendung finden. Ferner kann die Erfindung auch in der Fertigung und/oder industriell und/oder im Heimwerkerbereich angewandt werden. Beispielsweise könnten feinmechanische Uhrwerke halb- oder vollautomatisch mit Hilfe der Erfindung gefertigt werden. Auch könnte es möglich sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung per Fernsteuerung zu bedienen, wenn der Bediener nicht vor Ort sein kann. So könnte die Vorrichtung beispielsweise von einem nicht örtlich anwesenden Facharzt während einer OP vorausgeplant oder angesteuert werden. Auch könnte ein Ingenieur von der Erde aus Reparaturen an einem unbemannten Satelliten mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung vornehmen.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand beispielhafter Figuren beschrieben:

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung zum Führen eines Werkzeugs zum Bearbeiten von Material;
2A ist eine beispielhafte Frontal-Darstellung eines beispielhaften Linearmotors;
2B ist eine beispielhafte perspektivische Darstellung eines beispielhaften Linearmotors;
3 ist eine schematische Darstellung von Teilen eines beispielhaften Linearmotors;
4 ist eine beispielhafte perspektivische Darstellung von Teilen eines beispielhaften Linearmotors;
5 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung zum Führen eines Werkzeugs zum Bearbeiten von Material;
6 und 7 stellen schematisch Geometrien der Anordnung von Motorläufer und Stator dar.

In 1 ist beispielhaft eine Vorrichtung 1 zum Führen eines Werkzeugs 3 zum Bearbeiten von Material 2 (z.B. ein Knochen) schematisch dargestellt. Das Werkzeug 3 kann eine Fräse, einen Bohrer, eine oszillierende Säge und/oder ein Diagnosewerkzeug umfassen. Das Werkzeug 3 soll dabei möglichst fehlerfrei an einen Bestimmungsort 32 geführt werden, beispielsweise wie in der Darstellung angedeutet, liegt der Bestimmungsort 32 an oder in dem dargestellten Knochen 2.
Das Werkzeug 3 (z.B. chirurgisches Instrument) kann beispielsweise auch auf einer Instrumenten-Plattform bzw. einer „Tool-Plattform“ sitzen und/oder gelagert sein. Die Instrumenten-Plattform kann über Gelenke an einen Übertragungsabschnitt 4 bzw. dessen Gestänge (Kinematik) gekoppelt sein, sodass sich die Instrumenten-Plattform in die gewünschte Position führen lässt.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Vorrichtungskörper 6, beispielsweise in Form eines Gehäuses und/oder ein Gerüsts und/oder ein Skeletts. Der Vorrichtungskörper 6 kann eine oder mehrere Halterungen 17 zum händischen und/oder maschinellen Halten und Führen umfassen. Ferner kann der Vorrichtungskörper andere Komponenten umfassen und/oder lagern, beispielsweise eine Steuerungselektronik, und/oder einen Inertial-Sensor, und/oder ein Vorrichtungs-internes Positionserfassungssystem und/oder eine Kamera und/oder optische und/oder akustische Signalgeber.
Gemäß der Erfindung wird also mindestens ein elektrisch getriebener erster Linearmotor 7 zum Bewegen eines kinematischen Kopplungspunktes 15 für das zu führende Werkzeug 3 entlang einer Führungsachse L des Linearmotors 7 bereitgestellt. Der Linearmotor 7 kann bevorzugt im Wesentlichen „spielfrei“ betrieben werden, was bedeutet, dass der Linearmotor 7 besonders präzise funktioniert bzw. den kinematischen Kopplungspunkt 15 positionieren bzw. bewegen kann.
In 1 sind insbesondere zwei Linearmotoren 7 dargestellt. Die Kräfte und/oder Bewegungen, die ein Linearmotor 7 erzeugen kann, werden z.B. über den Übertragungsabschnitt 4 (Kinematik) derart auf das Werkzeug 3 übertragen, dass sich dieses an einen vorbestimmten Ort 32 führen bzw. bewegen lässt. Der Übertragungsabschnitt 4 ist in der 1 als Gestänge dargestellt. Bei zwei Linearmotoren 7 sind deshalb vorzugsweise entsprechend zwei Stangen als Übertragungsabschnitt 4 bereitgestellt, sodass die Kräfte und Bewegungen zweier Linearmotoren 7 übertragen werden können. Ein Übertragungsabschnitt 4 kann dabei über den kinematischen Kopplungspunkt 15, welcher beispielsweise ein Kugelgelenk umfasst, mit einem jeweiligen Linearmotor 7 verbunden bzw. gekoppelt sein. Vorzugsweise umfasst der kinematische Kopplungspunkt 15 ein gelenkiges Element, welches eine Kraft einer Schub- bzw. Führungsstange 13 umlenken kann. Der kinematischen Kopplungspunkt 15 wird mittels der Führungsstange 13 entlang der Führungsachse L bewegt.
Der Linearmotor 7 wird durch die Wechselwirkung von magnetischen Kräften, insbesondere von magnetischen Kräften zwischen Elektromagneten und Permanentmagneten 12 angetrieben. Der Linearmotor 7 verfügt über einen Stator 8 und einen Motorläufer 9. In der vorliegenden Darstellung umfasst ein Motorläufer 9 des Linearmotors beispielhaft jeweils vier Permanentmagnete 12. Der Motorläufer 9 ist (direkt oder indirekt) mit der Schubstange 13 gekoppelt, die wiederum relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 derart durch ein Lager 14 gelagert ist, dass die Führungsachse L der Schubstange 13 konstant gegenüber dem Vorrichtungskörper 6 ist. Eine Antriebsbahn des Motorläufers 9 betrifft die Bahn, die der Motorläufer 9 relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 nimmt, wenn er entlang des Stators 8 angetrieben wird.
Die Führungsachse L und die Antriebsbahn des Linearmotors 7 sollten idealerweise im Wesentlichen parallel zueinander sein. In der Praxis aber könnte es in dem Fall, in dem der Motorläufer 9 entlang einer Führung beispielsweise entlang einer Führungsschiene 8a, 8b des Stators 8 geführt wird aber nur eine sehr kleinen Abstand zum Stator hat, dazu kommen, dass der Motorläufer verkantet ist und/oder aneckt, insbesondere wenn der Motorläufer vollständig starr mit der Führungsstange verbunden ist und die Antriebsbahn aber nicht perfekt parallel zur Führungsachse verläuft. Um weiterhin zu gewährleisten, dass sich jedoch die Führungsachse L statisch bzw. konstant relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 verhält, während der Motorläufer 9 in Richtung der Schub- oder Rückzugsrichtung getrieben wird, wird ein transversales Spiel zwischen den Elementen der Verbindung aus Schubstange 13 und dem Vorrichtungskörper 6 vorgesehen. Ein solches Spiel 11, im Wesentlichen senkrecht bzw. transversal t zu der Antriebsachse L wird zumindest entweder zwischen dem Stator 8 und einem Statorlager 10 des Vorrichtungskörpers oder zwischen dem Motorläufer und der Führungsstange 13 vorgesehen.
Für den Fall, dass ein Werkzeug 3 - wie in der 1 dargestellt - durch zwei Linearmotoren 7 geführt wird, kann ein Punkt in einer Ebene angesteuert werden, da zwei Linearmotoren 7 zwei Freiheitsgrade ermöglichen. Umfasst die Vorrichtung 1 beispielsweise einen Linearmotor 7, so kann nur ein Punkt auf einer Geraden angesteuert werden, und umfasst eine Vorrichtung 1 mehr als zwei Linearmotoren 7, insbesondere drei, so kann ein Punkt im dreidimensionalen Raum angesteuert werden. Eine parallele Anordnung der Linearmotoren 7, also eine parallele Ausrichtung der Führungsachsen L der Linearmotoren 7 kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn zwei oder drei Linearmotoren 7 von der Vorrichtung 1 umfasst werden. Eine derartige parallele Anordnung von Linearmotoren 7 kann auch als Parallelanordnung ähnlich zu einer Parallelkinematik bezeichnet werden. Beispielsweise sind bei einer Anordnung ähnlich zu einem Hexapod sechs Antriebsmaschinen bzw. Linearmotoren 7 um eine zentrale Achse verteilt. Die Linearmotoren 7 bzw. die Führungsachsen L und Antriebsbahnen und -richtungen der Linearmotoren 7 sind dabei nicht alle parallel zueinander. Dennoch ist ein Hexapod im Allgemeinen eine spezielle Form einer Parallelkinematik, da zwei sich im Wesentlichen gegenüberstehende Linearmotoren 7 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die Konstruktion des Hexapods ermöglicht eine Beweglichkeit in allen sechs Freiheitsgraden (drei translatorische sowie drei rotatorische). Durch die besagte parallele Anordnung der Linearmotoren 7 besitzen Hexapode verglichen mit seriellen Robotern insbesondere ein besseres Verhältnis von Nutzlast zu Eigengewicht.
Der Vorrichtungskörper 6 weist eine zentrale Achse A auf, die bevorzugt im Wesentlichen parallel zu der Führungsachse L der Linearmotoren 7 verläuft, insbesondere dann, wenn alle Linearmotoren zueinander parallel liegende Führungsachsen L aufweisen. Bevorzugt sind die Linearmotoren symmetrisch oder paarweise symmetrisch um die zentrale Achse A des Vorrichtungskörpers 6 angeordnet.
Andererseits kann durch eine nicht-parallele Anordnung der Statoren 8 verschiedener Linearmotoren 7 mit den Spulen 19 erreicht werden, dass magnetische Rastkräfte zwischen deren Läufern 9 mit den Permanentmagneten 12 reduziert werden.
Die Vorrichtung 1 kann über ein Kabel 16 beispielsweise über ein Datenkabel und/oder eine Stromversorgung mit einem Rechner 30 und/oder eine Netzversorgung verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung über eine kabellose Verbindung, beispielsweise Bluetooth, W-Lan o.ä. mit einer Datenquelle und/oder einem Rechner 30 verbunden sein. Die Verbindung könnte dazu dienen, Daten an die Vorrichtung 1, beispielsweise CT-Daten, zu senden und/oder die Vorrichtung teilweise oder vollständig zu kontrollieren und/oder steuern und/oder regeln.
Die Vorrichtung 1 kann ferner über eine Vorrichtungs-interne 26 und/oder Vorrichtungs-externe Positionserfassung 25 verfügen bzw. jeweils damit in Verbindung stehen. Mit Hilfe einer Positionserfassung 25, 26 kann beispielsweise erfasst werden, an welchem Ort sich das Werkzeug 3 befindet. Es kann also eine Ist-Werkzeugposition 31 mit Hilfe der Positionserfassung 25, 26 erfasst werden. Der Rechner 30 kann beispielsweise anhand von CT Daten eines Patienten eine Soll-Werkzeugposition 32 ermitteln und mit Hilfe der erfassten Ist-Werkzeugposition 31 einen Korrekturwert 33 ermitteln, um den das Werkzeug 3 dann derart versetzt wird, dass es die Soll-Werkzeugposition 32 einnimmt.
Der Abschnitt der Vorrichtung 1, der im Wesentlichen die Antriebskräfte-Erzeugende Elemente, beispielsweise die Linearmotoren 7, umfasst ist als „Antriebsabschnitt“ 5 gekennzeichnet. Die Vorrichtung 1 und insbesondere der Antriebsabschnitt 5 kann zur verbesserten Bedienung bevorzugt ergonomisch ausgebildet sein.
Anhand der 2A und 2B, sowie 3 und 4 soll nun die Funktionsweise eines beispielhaften Linearmotors 7 detailliert erläutert werden. In der 2A ist ein beispielhafter Linearmotor 7, der relativ zu einem Vorrichtungskörper 6 gelagert ist, in einer Frontalansicht dargestellt, derart, dass die Führungsachse L der Schubstange 13 senkrecht zur Zeichenebene liegt. Derselbe beispielhafte Linearmotor 7 ist perspektivisch in der 2B dargestellt. Die Führungsachse L der Schubstange 13 ist in dieser Darstellung von der dem Übertragungsabschnitt 4 bzw. dem Werkzeug 3 (hier nicht gezeigt) zugewandten Seite 4a zu der dem Übertragungsabschnitt 4 bzw. dem Werkzeug 3 (hier nicht gezeigt) abgewandten Seite 4b ausgerichtet. Entsprechend zeigt die Antriebsrichtung der Schubstange 13, wenn es sich um die Schubrichtung R handelt, in Richtung der dem Übertragungsabschnitt 4 (hier nicht gezeigt) zugewandten Seite 4a, wohingegen die Antriebsrichtung der Schubstange 13, wenn es sich um die Rückzugsrichtung R' handelt, in Richtung der dem Übertragungsabschnitt 4 (hier nicht gezeigt) abgewandten Seite 4b. Die Antriebsbahn des Motorläufers 9 ist im Wesentlichen bzw. im Idealfall parallel zu der Führungsachse L. Demnach gilt auch für die Antriebsbahn, dass sich diese im Wesentlichen zwischen der dem Übertragungsabschnitt 4 (hier nicht gezeigt) zugewandten Seite 4a und der dem Übertragungsabschnitt 4 abgewandten Seite 4b erstreckt. Die Perspektiven werden deutlich durch die in den Figuren am unteren Rand dargestellten Koordinatensysteme. Die Achsen x, y, z sollen dabei in den jeweiligen Figuren als gegenstandbezogen betrachtet werden. In anderen Worten, soll der jeweilige Gegenstand bzw. die Dimensionen des Gegenstandes im Hinblick auf die Achsen des dargestellten jeweiligen Koordinatensystems bezogen werden können. Die Antriebsachse L der Schubstange 13 zeigt im Wesentlichen entlang der x-Achse, wie aus der 2B zu entnehmen ist. Die y- und die z-Achse bilden eine Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu der Antriebsachse L steht. Eine transversale Richtung t, die im Wesentlichen transversal zu der Antriebsachse L verläuft ist beispielsweise im Wesentlichen parallel zu der in den Figuren gezeigten y-Achse. Eine andere transversale Richtung t', die im Wesentlichen transversal zu der Antriebsachse L verläuft ist dann im Wesentlichen parallel zu der in den Figuren gezeigten z-Achse.
Der beispielhafte Linearmotor 7 der 2A und 2B umfasst einen Stator 8. Der Stator 8 ist in einem Statorlager 10 relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 gelagert. Das Statorlager 10 kann dabei ein transversales Lagerspiel 11 aufweisen, das vorzugsweise dem Stator 8 einen Freiheitsgrad für minimale Bewegungen in transversale Richtung t, t', also senkrecht zur Führungsachse L des Motorläufers 9 lässt, sodass der Stator 8 beispielsweise Ausgleichsbewegungen zumindest in eine transversale Richtung t (evtl. auch in transversale Richtung t') zur Führungsachse L des Motorläufers 9 ausführen kann. Solche Ausgleichsbewegungen liegen beispielsweise in der Größenordnung von +/- 0,1 mm bis +/- 1,5 cm, insbesondere von +/- 0,2 mm bis +/- 1 cm und ganz besonders zwischen +/- 0,3 mm und +/- 0,7 cm. In anderen Worten kann das Statorlager 10 einen Statorlagerspalt, im Wesentlichen zumindest in Richtung der y-Achse (evtl. auch in Richtung der z-Achse) der angegebenen Größenordnung zwischen dem Vorrichtungskörper 6 bzw. dem Statorlager 10 des Vorrichtungskörpers 6 und dem Stator 8 selbst zumindest abschnittsweise aufweisen. Zur gleichen Zeit ist der Stator 8 in parallele Richtung zur Führungsachse L des Motorläufers 9 fixiert. Dies bedeutet, dass sich der Stator 8 entlang der oder parallel zu der Führungsachse L des Motorläufers 9 nicht bewegen kann. Beispielsweise kann der Stator 8 in dem Lager auf der dem Übertragungsabschnitt zugewandten Seite 4a und der dem Übertragungsabschnitt abgewandten Seite 4b derart gelagert sein, dass er sich im Wesentlichen nicht parallel zu der Führungsachse L bewegen kann bzw. verrücken kann. Dies kann bedeuten, dass lediglich ein sehr geringer Statorlagerspalt auf der dem Übertragungsabschnitt zugewandten Seite 4a und der dem Übertragungsabschnitt abgewandten Seite 4b zwischen dem Stator 8 und dem Vorrichtungskörper besteht. Derart kann der Stator im Wesentlichen transversal t, t' zur Führungsachse L innerhalb des Lagerspiels 11 gleiten und/oder verrutschen und/oder verrücken, wobei er seine Position im Wesentlichen in Richtung parallel zur Führungsachse L relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 beibehält bzw. im Wesentlichen nicht relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 verrutscht und/oder verrückt und/oder versetzt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Stator an einem vorderen Ende, nämlich an der der Kinematik zugewandten Seite 4a fest mit dem Vorrichtungskörper verbunden, während am hinteren Ende, nämlich der der Kinematik abgewandten Seite 4b eine translatorische Ausgleichsbewegung insbesondere in Richtung t möglich ist.
In den 2A und 2B ist ferner beispielhaft eine Führungsschiene 8a dargestellt, die zwischen zwei Wänden 8c, 8d des Stators 8 an deren „unteren“ Enden bzw. auf einer der Führungsachse L der Schubstange 13 entfernten Seite der Wände 8c, 8d des Stators 8, angebracht ist. Diese Führungsschiene 8a dient im Wesentlichen zum Führen eines Motorläufers 9 bzw. eines Abschnitts des Motorläufers 9. Dazu kann die Führungsschiene 8a entlang der gesamten Länge des Stators 8 und/oder der Wände 8c, 8d des Stators 8 im Wesentlichen parallel zu der Führungsachse L der Schubstange 13 ausgebildet sein, derart, dass der Motorläufer 9 entlang der gesamten Länge des Stators 8 und/oder der Wände 8c, 8d des Stators 8 geführt bzw. verschoben bzw. verfahren werden kann. Alternativ kann die Führungsschiene 8a nur entlang eines Abschnitts der gesamten Länge des Stators 8 und/oder der Wände 8c, 8d des Stators 8 ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist die Führungsschiene 8a, aber auch andere mögliche Schienen und/oder Lager aus im Wesentlichen nicht magnetischen leichten Materialien ausgebildet. Solche Materialien können Aluminium oder Kunststoff sein. Auch sind die Linearmotoren 7 vorzugsweise als eisenlose Synchronmotoren ausgebildet. Insgesamt ist es bevorzugt, auf schwere Materialien bei der Verwirklichung der Vorrichtung 1 zu verzichten. Besonders wird bevorzugt auf Eisen und andere schwere magnetisierbare Materialien verzichtet, wenn sie nicht unbedingt zu einer wesentlichen Funktion der Vorrichtung 1 oder einer der Ausführungsformen beiträgt. Auch sind die Linearmotoren vorzugsweise drei-phasig betreibbar, sodass diese mit marktüblichen Phasen-Umrichtern betrieben werden können.
Wie zuvor schon erwähnt und in 2A und 2B dargestellt, kann der Stator 8 zwei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete flächige Wände 8c, 8d umfassen. Bevorzugt umfassen beide Wände 8c, 8d eine Vielzahl von Spulen eines Elektromotors (hier nicht gezeigt) bzw. Spulen, die ein Magnetfeld (hier nicht gezeigt) ausbilden, wenn sie elektrisch betrieben werden. Es können sich entsprechend magnetische Felder in einem Zwischenraum, der durch einen Spalt d definiert wird, zwischen den Wänden 8c, 8d ausbilden, wenn sie elektrisch betrieben werden. In mindestens einem Abschnitt zwischen den Wänden 8c, 8d bzw. innerhalb mindestens eines Bereichs des Zwischenraums kann zumindest ein Abschnitt des Motorläufers 9, der bevorzugt in einem Abschnitt Permanentmagnete (hier nicht gezeigt) umfasst, die in den Zwischenraum der Wände, also in den Spalt d ragt, entlang der Antriebsbahn geführt werden.
Die Wände 8c, 8d des Stators 8 sind dabei bevorzugt so ausgebildet, dass sie eine Länge entlang der Antriebsbahn, die im Wesentlichen parallel zu der Führungsachse ist, aufweisen. Die Wände 8c, 8d weisen Hauptflächen, bevorzugt in rechteckiger Form, auf, welche den Hauptteil der Oberflächen der Wände 8c, 8d bilden. In 2B ist eine derartige äußere Hauptfläche einer Wand 8d im Wesentlichen parallel zur x-z-Fläche des dargestellten Koordinatensystems perspektivisch dargestellt. Auf der entgegengesetzten Rückseite des Stators 8 liegt die entsprechende zweite äußere Hauptfläche der anderen Wand 8c. Entsprechend liegen die inneren Hauptflächen der Wände 8c, 8d auf den Seite der Wände 8c, 8d, die jeweils dem Spalt d zugewandt sind.
Bevorzugt sind die Hauptflächen der Wände 8c, 8d im Wesentlichen parallel zueinander entlang der Länge der Wände 8c, 8d, parallel zur x-Achse der 28, derart ausgerichtet, dass ein Zwischenraum, definiert durch den Spalt d zwischen den Wänden 8c, 8d ausgebildet wird. Die bevorzugt rechteckigen Hauptflächen werden bestimmt durch die Länge, im Wesentlichen parallel zur x-Achse, und eine Breite bzw. Höhe, im Wesentlichen parallel zur z-Achse. Ferner weisen die Wände 8c, 8d eine Dicke, im Wesentlichen parallel zur y-Achse, auf. Bevorzugt bildet die Dimension der Dicke einen rechten Winkel mit der Hauptfläche der Wände8c, 8d. Bevorzugt ist die Richtung der Antriebsbahn senkrecht zu der Dicke und entsprechend parallel zu den parallel zueinander ausgerichteten Längen der Hauptflächen.
Optional und bevorzugt kann eine Wand 8c oder 8d bevorzugt jedoch beide Wände 8c, 8d jeweils mindestens eine Reihe nebeneinander aufgereihter Elektromagnete (hier nicht gezeigt) umfassen, die derart ausgerichtet sind, dass sie im Betrieb magnetische Felder erzeugen, die in den Zwischenraum bzw. den Spalt d der Wände 8c, 8d ragen. Bevorzugt ist der Zwischenraum zwischen den Wänden besonders schmal ausgebildet, derart, dass ein hindurchgeführter Motorläufer 9 und insbesondere ein Abschnitt mit dessen Permanentmagneten einen besonders kleinen Abstand zu den Wänden 8c, 8d aufweist bzw. aufweisen um die Magnetfelder besonders effizient nutzen zu können. Dies ist deutlich in der 2A dargestellt.
Zu sehen ist in der 2A ein beispielhafter Motorläufer 9, der einen Linearschlitten 9a mit einem Gleitlager 9c umfasst, wobei der Linearschlitten 9a optional entlang einer Linearschiene 8b des Stators 8 geführt werden kann. Der Motorläufer 9 umfasst ferner einen Abschnitt, der zumindest teilweise in den Raum zwischen den Wänden 8c, 8d hineinragt und dort beispielsweise von der Führungsschiene 8a am Stator 8 geführt werden kann. Dieser Abschnitt, der hier Motorläuferlagerabschnitt genannt wird, kann Wandartig ausgeformt sein, sodass er parallel zu den Wänden 8c, 8d entlang der Führungsschiene 8a geführt werden kann. Dabei kann beispielsweise ein Luftspalt bzw. eine Lücke von wenigen zehntel Millimetern Breite, im Wesentlichen in Richtung der y-Achse, zwischen dem Motorläufer und den jeweiligen Wänden 8c, 8d des Stators innerhalb des Spalts d verwirklicht werden.
Beispielsweise kann eine Wand 8c, 8d eine Länge im Wesentlichen in Richtung der x-Achse von 3 bis 30 cm, bevorzugt 7 bis 24 cm, insbesondere 12 bis 20 cm aufweisen. Eine Wand 8c, 8d kann beispielsweise eine Breite bzw. Höhe im Wesentlichen in Richtung der z-Achse aufweisen, die z.B. etwa ein Drittel so groß ist, wie eine Länge der Wand 8c, 8d, beispielsweise 1,5 bis 10 cm.
Die flächige Ausformung der Hauptflächen der Wände 8c, 8d bietet eine besonders große Oberfläche, die besonders viel Platz bietet für Magnetfeldlinien vieler Elektromagnete bzw. Spulen. Ferner kann auch der Motorläufer 9 derart ausgestaltet sein, dass er eine besonders große Fläche, insbesondere Breite bzw. Höhe im Wesentlichen in Richtung der z-Achse aufweist. Dabei kann die Breite im Wesentlichen in z-Richtung des Motorläufers 9 in etwa der Breite im Wesentlichen in z-Richtung der Hauptfläche der Wand 8c, 8d entsprechen oder etwa halb so breit sein. Die Breite im Wesentlichen in z-Richtung des Motorläufers 9 ist im Betrieb entlang der Breite der Hauptfläche der Wand 8c, 8d ausgerichtet. Die Länge des Motorläufers 9 kann beispielsweise ein Halb bis ein Zehntel, insbesondere ein Halb bis ein Viertel, bevorzugt ein Halb bis ein Drittel der Länge des Stators 8, insbesondere der Statorwände 8c, 8d entsprechen. Die Länge des Motorläufers 9 ist im Betrieb entlang der Länge der Hauptfläche der Wände 8c, 8d bzw. der Richtung der x-Achse ausgerichtet. Der Spalt d zwischen zwei Wänden 8c, 8d kann mehrere Zentimeter bis wenige Millimeter sein. Der Motorläufer 9 kann, wenn er zwischen den Wänden 8c, 8d in dem Zwischenraum gelagert ist, beispielsweise nur einen sehr schmalen Luftspalt bzw. eine Lücke zu beiden Seiten, also nur wenig von beiden Wänden beabstandet sein.
Insbesondere kann eine gute Wärmeabfuhr bzw. Wärmeableitung dadurch erreicht werden, dass Spulen großflächig ausgebildet sind und „außen“, also an einer Oberfläche derart an einer Wand angebracht und/oder integriert sind, dass sie mit der Umgebungsluft bestenfalls in direktem Kontakt stehen. Auch kann der Verzicht auf magnetische Rückschlüsse zwischen Spulen und Umgebungsluft zu einer guten Wärmeabfuhr führen.
Wie in der 2B zu sehen ist, umfasst der Motorläufer 9 und insbesondere der Linearschlitten 9a des Motorläufers 9 ein Kopplungslager 9b zur Kopplung der Schubstange 13 an den Motorläufer 9. Das Kopplungslager 9b ist derart ausgestaltet, dass die Schubstange 13 durch den angetriebenen Motorläufer 9 angetrieben, also im Wesentlichen in eine Schubrichtung R geschoben oder in eine Rückzugsrichtung R' gezogen wird. Während der Motorläufer 9 im Wesentlichen entlang einer Antriebsbahn verläuft bzw. geführt wird, wenn dieser von den wechselwirkenden Magnetfeldern angetrieben wird, wird die Schubstange 13 im Wesentlichen entlang einer Führungsachse L geführt. Wie bereits erwähnt, sind im Idealfall Antriebsbahn und Führungsachse L im Wesentlichen parallel zueinander. Um eine sehr präzise und konstante Führung der Schubstange 13 relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 auch dann zu gewährleisten wenn der Motorläufer 9 mit dem Stator 8 verkanten würde, kann beispielsweise ein Lagerspiel an dem Kopplungslager 9b in eine transversale Richtung zur Führungsachse L derart gegeben sein, dass der Motorläufer 9 eine Ausgleichsbewegung in eine transversale Richtung zur Führungsachse L relativ zu der Schubstange 13 ausführen kann. Damit ist es möglich, ein Verkanten und darin resultierendes „Stocken“ und/oder Stottern des Motors zu verhindern.
Zuvor wurde beschrieben, dass der Stator 8 innerhalb des Statorlagers 10 eine Bewegung relativ zu dem Vorrichtungskörper in eine transversale Richtung zur Führungsachse L der Schubstange 13 ausführen kann, um eine stabile Führungsachse L der Schubstange 13 durch das Verhindern eines Verkantens des Motorläufers 9 mit dem Stator 8 zu gewährleisten. Das Problem, eine sehr präzise und konstante Führungsachse L der Schubstange 13 relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 zu gewährleisten, kann also durch ein Lagerspiel in transversale Richtung zur Führungsachse L zwischen Motorläufer 9 und Schubstange 13 einerseits und/oder zwischen Vorrichtungskörper 6 und Stator 8 andererseits gelöst werden. Die Erfindung betrifft jeweils die separaten Lösungen oder die Kombination aus beiden Lösungen. Es kann also ein Verkanten zwischen einem Motorläufer 9 und einem Stator 8 dadurch ausgeglichen bzw. verhindert werden, dass sich entweder der Stator 8 relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 oder sich der Motorläufer 9 relativ zu der Schubstange 13 bewegt, oder beides möglich ist, sodass der Motorläufer 9 entlang der Antriebsbahn und die Schubstange 13 entlang der sehr präzise und stabil gelagerten Führungsachse L geführt werden kann.
Die Schubstange 13 wird durch ein Stangenlager 14, welches relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 fixiert oder befestigt ist, entlang der Führungsachse L geführt. Das Stangenlager 14 kann beispielsweise in Form einer Manschette oder in Form eines Rings die Schubstange umfassen oder zumindest teilweise umfassen. Ferner kann das Stangenlager 14 eine sehr präzise Lagerung, beispielsweise ein Kugellager umfassen. Das Stangenlager 14 kann beispielsweise direkt oder indirekt an dem Vorrichtungskörper 6 befestigt, insbesondere darin eingepresst, damit verschweißt, verschraubt und/oder verklebt sein. Im Allgemeinen werden zur Vermeidung einer starken Reibung zwischen Elementen, die sich gegenüber einander bewegen, bevorzugt Kugellager bereitgestellt.
Das Kopplungslager 9b ist der Punkt, an dem die axiale Kraft und die Bewegung des angetriebenen Motorläufers 9 auf die Schubstange 13 übertragen wird und an dem die Schubstange 13 an den Motorläufer 9 gekoppelt wird. Das Kopplungslager 9b lagert die Schubstange 13 so, dass die Schubstange 13 nicht in Richtung der Führungsachse L gegenüber bzw. relativ zu dem Motorläufer 9 verrutscht bzw. sich verschiebt oder versetzt. Wie bereits erwähnt hat das Kopplungslager 9b gleichzeitig ein Lagerspiel in transversale Richtungen t, t' zu der Führungsachse L. Derart können Ausgleichsbewegungen im Fall eines Verkantens stattfinden. Die Größenordnung derartiger Ausgleichsbewegungen liegen beispielsweise bis zum 5-fachen der Luftspaltbreite d, d.h. von 0 bis 1,75 mm . Dafür kann das Kopplungslager 9b ein Spiel im Wesentlichen derselben Maße in den Richtungen t und t' transversal zur Führungsachse L aufweisen. In anderen Worten kann das Kopplungslager einen Kopplungslagerspalt, im Wesentlichen in Richtung der z- und/oder y-Achse bis zum 5-fachen der Luftspaltbreite d, d.h. von 0 bis 1,75mm zwischen der Schubstange 13 und dem Motorläufer 9 aufweisen. In 6 stellt die horizontale Linie mit der Länge s schematisch die Länge des Läufers entlang der Achse L dar. Eine Seite des Stators befindet sich im Abstand der Spalthöhe h vom Läufer. Die maximal mögliche Biegung des Stators ist für den Krümmungs-radius r erreicht (Bogenlinie oberhalb der Fläche A in 6), wenn sich der gebogene Stator und der gerade Läufer in den Punkten B und C berühren. Der Krümmungsradius r errechnet sich zu: $r = \frac{h}{2} + \frac{s^{2}}{8 h}$
Der Weg t bzw. die bevorzugte Mindestbeweglichkeit in transversaler Richtung (y-Richtung) ergibt sich schematisch in 7 aus der Länge L des Stators (die ungefähr der Länge des Bogens mit dem Radius r entspricht) und dem Biegeradius r. Er errechnet sich aus dem Dreieck mit den Seitenlängen r, (L) und r-t zu: $t = r - \sqrt{r^{2} - L^{2}}$
Für eine Statorlänge L=180mm, eine Läuferlänge s=80mm und eine Spalthöhe h=0,5mm ergibt sich (bei einem Radius r von 1600mm) der Weg von ca. t=10mm, der 12,5% der Läuferlänge s entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt somit die transversale Beweglichkeit des Stators relativ zum Vorrichtungskörper und/oder des Motorläufers relativ zur Führungsstange in einem Bereich von zumindest etwa 5%, noch mehr bevorzugt in einem Bereich von zumindest etwa 10%, am meisten bevorzugt in einem Bereich von zumindest etwa 12,5 % einer Länge des Motorläufers in Richtung der Führungsachse L.
Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Schubstange 13 eine Verjüngung an der Stelle aufweist, an der sie von dem Kopplungslager 9b umfasst wird. Der Umfang der Öffnung in dem Kopplungslager 9b die die Schubstange 13 umgibt, kann beispielsweise etwas größer sein als der Umfang der Schubstange 13 an dem Abschnitt der Verjüngung. Derart entsteht ein Spiel in transversale Richtungen t, t' zur Schubsachse L. Das Kopplungslager 9b schließt allerdings in Richtung der Führungsachse im Wesentlichen bündig mit der Schubstange 13 ab. Das bedeutet, dass im Wesentlichen keine oder nur eine sehr kleine Lücke zwischen einem Abschnitt des Kopplungslagers 9b und der Schubstange 13 besteht. Auf diese Weise kann eine Kraft sehr präzise von dem Motorläufer 9 auf die Schubstange 13 übertragen werden, ohne dass eine Antriebsverzögerung auftritt, die durch ein Spiel in Richtung der Führungsachse gegeben wäre. Da sich der Motorläufer 9 jedoch auch noch in transversale Richtungen t, t' zur Schubsachse L relativ zur Schubstange 13 bewegen können muss, darf die Schubstange 13 mit dem Kopplungslager 9b jedoch auch nicht verklemmt sein. Vorzugsweise kann das Stangenlager 14 eine minimale Lücke im Submillimeterbereich in Richtung der Führungsachse L zu der Schubstange 13 aufweisen sodass der Motorläufer 9 möglichst gleitend bzw. reibungsfrei eine Ausgleichsbewegung in transversale Richtungen t, t' zur Schubsachse L relativ zur Schubstange 13 ausführen kann.
In anderen Worten ausgedrückt ist der mit Permanentmagneten 12 versehene Motorläufer 9 optional „unten“ in einer Führungsschiene 8a gelagert und „oben“ mit einem Linearschlitten 9a verbunden. Der Linearschlitten 9a ist optional auf einer Linearschiene 8b gelagert. Die Schubstange 13 ist möglicherweise beim Austritt aus dem (Roboter)Gehäuse 6 in dem Stangenlager 14 gelagert. Die Schubstange 13 kann an der Verbindungsstelle zum Linearschlitten 9a, insbesondere an dem Kopplungslager 9b kleine „seitliche“ Ausgleichsbewegungen, vorzugsweise in eine transversale Richtung t, t', durchführen, falls die Linearschiene 8b und/oder die Führungsschiene 8a und das Stangenlager 14 nicht exakt gegeneinander ausgerichtet sind. Die Schubstangen 13 der Linearmotoren 7 sind dazu ausgelegt, mit einer Roboterkinematik, insbesondere jeweils mit einem Übertragungsabschnitt 4 beispielsweise über ein Lager 15 verbunden zu werden. Eine Kinematik kann beispielsweise die Gesamtheit der Übertragungsabschnitte 4, beispielsweise in Form eines Gestänges umfassen.
Der Stator 8 des Linearmotors kann beispielsweise am rechten Ende auf der dem Übertragungsabschnitt 4 zugewandten Seite 4a mit dem Robotergehäuse bzw. dem Vorrichtungskörper 6 verbunden werden. Beispielsweise infolge einer äußeren Querbelastung der Schubstange 13 oder bei einer nicht exakten Ausrichtung des Stangenlagers 14 gegenüber dem Stator 8 kann dadurch beispielsweise das freie linke Statorende auf der dem Übertragungsabschnitt 4 abgewandten Seite 4b „seitliche“ Ausgleichsbewegungen, vorzugsweise in eine transversale Richtung t, t', durchführen, wie in 2B dargestellt, wenn der Stator 8 bzw. die Verbindung zwischen Stator 8 und Vorrichtungskörper 6 entsprechend nachgiebig gestaltet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass trotz eines sehr geringen Spalts d keine Verkantung/Verklemmung des Motorläufers 9 auftreten kann. Im Umkehrschluss kann diese Konstruktion die Verwendung eines deutlich kleinen Spalts d erlauben, so dass das Erregerfeld der Permanentmagneten 12 und Spulen 19 besser ausgenutzt werden kann und daraus eine höhere Antriebskraft resultiert.
Bei einer festen Verbindung zwischen Linearschlitten 9a und Schubstange 13 könnte eine ausreichend bestimmte bzw. präzise Lagerung auch nur durch das Stangenlager 14 und die untere Führungsschiene 8a erreicht werden. Derart könnte die Schubstange 13 beispielsweise noch um ihre Längsachse, die idealerweise der Führungsachse I entspricht, drehbar sein, da an einem ihrer Enden auf der dem Übertragungsabschnitt 4 zugewandten Seite 4a, die Schubstange 13 über ein Kugelgelenk 15 mit einer Stange eines Übertragungsabschnitts 4 verbunden sein kann. Das Stangenlager 14 kann in diesem Fall sowohl den Motorläufer 9 als auch die an die Schubstange 13 verbundene Kinematik bzw. den Übertragungsabschnitt 4, welcher ein Gestänge umfassen kann, entlang einer Führungsachse L führen, beispielsweise an einem Führungspunkt, der der Verbindungsabschnitt 15 sein kann.
3 und 4 stellen schematisch die Funktionsweise des elektromagnetischen Antriebs eines beispielhaften Linearmotors 7 dar. 4 zeigt zum besseren Verständnis perspektivisch um 90 Grad gedreht von der Seite die Elemente des Linearmotors 7, welche bereits in 3 abgebildet werden. Das angezeigte im Wesentlichen gegenstandsbezogene Koordinatensystem dient zur Orientierungshilfe.
In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst der Stator elektrisch betriebene Spulen, die als Element von Elektromotoren 19 betrieben werden. Ein Abschnitt der genau eine Spule 19 umfasst wird hier als Spulenelement 20 bezeichnet. Durch Anlegen einer Spannung an eine solche Spule und durch den daraus entstehenden Stromfluss durch die Spulenwindungen bildet sich ein magnetisches Feld aus, welches je nach Stromrichtung auf der einen Seite der Spulenwindungsöffnung einen Nord- und auf der anderen Seite einen Südpol aufweist. Beispielhaft sind in der 3 sich jeweils abwechselnde Nord- und Südpole benachbarter Spulenelemente 20 eingezeichnet bzw. angedeutet. Die Spulenelemente 20 sind vorzugsweise derart nebeneinander linear entlang bzw. im Wesentlichen parallel zu der Führungsachse L und der x-Achse aufgereiht, dass die Windungen der Spulen 19 entlang bzw. im Wesentlichen parallel zu der y-Achse aufgewickelt sind. So kann sich, wie es schematisch beispielhaft in 3 dargestellt ist, ein Magnetfeld mit Magnetfeldlinien 24 ausbilden, welches in Richtung parallel zur y-Achse aus den Spulenelementen 20 jeweils aus und eintritt. Im Betrieb kann beispielsweise ein Strom derart durch die Spulen fließen, dass sich magnetische Wechselfelder ausbilden. Solche Felder wechseln periodisch Nord- und Südpol. Dazu sind die Spulen über leitende Kabel elektrisch mit einer Strom- und Spannungsversorgung verbunden.
Der Motorläufer 9, der im Wesentlichen parallel zu der Führungsachse L bzw. entlang der Schubbahn angetrieben werden soll, umfasst vorzugsweise Permanentmagnete 12, deren Nord- und Südpole jeweils den Nord- und Südpolen der Spulen 19 des Stators 8 gegenüber stehen. Die Permanentmagnete 12 sind vorzugsweise derart nebeneinander linear entlang bzw. im Wesentlichen parallel zu der Führungsachse L und der x-Achse aufgereiht, dass die Nord- und Südpole der Magnete 12 entlang der y-Achse ausgerichtet sind. Die Permanentmagnete 12 können dabei an einem Träger 23 angebracht und daran aufgereiht sein.
Vorzugsweise sind vier im Wesentlichen gleichgroße Permanentmagnete 12 und drei im Wesentlichen gleichgroße Spulenelemente 20 derart ausgebildet, dass sie, wenn sie jeweils nebeneinander in der beschriebenen Form aufgereiht sind, eine selbe Länge D im Wesentlichen parallel zur Führungsachse L aufweisen. Vier Permanentmagnete 12 stehen also drei Spulenelementen 20 bzw. Spulen 19 gegenüber. Eine sogenannte Einheitsmaschine, die auf diesem Prinzip, der 4:3 Teilung basiert, umfasst also eine Einheit 9' aus vier Permanentmagneten 12 an einem Motorläufer 9 und eine Einheit 21 aus drei Spulenelementen 20 an einem Stator 8. Diese besondere Ausführungsform erweist sich als besonders effektiv in der Kraftübertrag. Vorzugsweise umfasst der Motorläufer 9 eine Vielzahl von und insbesondere vier Einheiten bestehend aus vier Permanentmagneten 12, insgesamt also insbesondere 16 Permanentmagnete 12. Vorzugsweise umfasst der Stator hingegen eine Vielzahl von Spulenelementen 20 bzw. Spulen 19. Der Motorläufer 9 kann dann effektiv über die Länge der nebeneinander aufgereihten Spulenelemente 20 verfahren werden, sofern er durch ein Lager derart geführt werden kann.
Ein bevorzugtes Merkmal dieser Ausführungsform ist der besonders kleine Abstand zwischen den Permanentmagneten 12 des Motorläufers 9 und den Spulen 19 des Stators 8. Derart können die Magnetfelder besonders effektiv genutzt werden, was dazu führt, dass keine zusätzlichen magnetischen Rückschlüsse nötig sind. Magnetische Rückschlüsse umfassen ein leicht magnetisierbares Material, was zumeist aus ferromagnetischen Eisenlegierungen ausgebildet ist bzw. besteht und deshalb schwer ist. Damit ist ausdrücklich nicht gemeint, dass auf wesentliche magnetisierbare Elemente, wie dies beispielsweise eine Verkabelung der Spulen 19 oder wichtige Elemente des Vorrichtungskörpers sein können, in der Nähe der Spulen verzichtet wird. Dies bedeutet lediglich, dass keine zusätzlichen Elemente, die als magnetische Rückschlüsse dienen sollen, in der Vorrichtung 1 verbaut werden müssen.
Durch die effiziente Anordnung kann auch gewährleistet werden, dass der Motorläufer 9 besonders leicht ausgeformt ist und somit eine sehr geringe Trägheit aufweist. Dies führt wiederum dazu, dass der Motorläufer, wenn er aus der Ruhelage in einen Bewegungszustand versetzt wird, besonders schnell anspricht und eine hohe Beschleunigung erfährt. Dadurch wird auch ermöglicht, dass hochfrequente Störgrößen kompensiert werden können.
Insbesondere durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung derart, dass eine präzise Führung einer Schubstange 13 durch Vermeidung eines Verkantens zwischen Motorläufer 9 und Stator 8 gewährleistet werden kann, ist es möglich sehr kleine Abstände zwischen Stator 8 und Läufer 9 zu verwirklichen, sodass magnetische Felder der Spulen 19 und Permanentmagnete 12 besonders effektiv genutzt werden können. In Zusammenschau der bevorzugten und erfindungsgemäßen Merkmale wird deutlich, dass ein synergetischer Effekt dazu führt, dass eine Vorrichtung 1 ein besonders hohes Maß an Kompaktheit, Leichtigkeit und Kraftübertragung aufweist.
Eine Positionserfassung des Läufers 9 gegenüber des Stators 8 wird dadurch erzielt, dass eine Positionsmesseinheit 22a, beispielsweise wie in 3 dargestellt, von dem Stator 8 umfasst wird. Eine solche Positionsmesseinheit 22a kann beispielsweise eine Hall-Sensorik umfassen.
In 4 ist zusätzlich angedeutet, dass der Linearmotor 7 eine Linearmotorbreite b aufweist. Diese Breite b kann, wie bereits erwähnt wurde, insbesondere durch einen besonders kleinen Spalt d reduziert bzw. sehr schmal ausgebildet werden. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise mehrere Linearmotoren 7, insbesondere zwei Linearmotoren 7 dicht nebeneinander relativ zu dem Vorrichtungskörper 6, beispielsweise an und/oder in dem Vorrichtungskörper 6 angeordnet werden können. Auch können die Linearmotoren 7 sehr dicht an dem Vorrichtungskörper 6 anliegen und/oder kaum oder gar nicht von dem Vorrichtungskörper 6 hervorstehen, was eine besonders kompakte Bauart ermöglicht.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des Linearmotors 7, bei dem ein Läufer 9 in seiner Länge recht kurz verglichen mit der Länge eines Stators 8 ist. Beispielsweise kann ein Stator 8 eineinhalb bis zehn Mal länger, insbesondere eineinhalb bis fünf Mal und besonders eineinhalb bis drei Mal länger als ein Läufer 9 sein.
5 stellt beispielhaft die Vorrichtung 1 aus 1 dar, wie sie durch einen Bediener bzw. Operateur 27 schematisch geführt werden könnte. Diese Figur zeigt schematisch, wie ein Operateur 27 die Vorrichtung 1 mit seinen Händen 27a an der Halterung bzw. den Griffen 17 führt. Ferner ist dargestellt, dass eine Bewegung, insbesondere eine Vibration als Störgröße 28 an der Halterung beispielsweise durch Zittern und/oder Verwackeln des Bedieners 27 bzw. der Arme und Hände 27a des Bedieners 27 auftreten kann. Eine weitere unerwünschte Störgröße kann ferner durch eine Vibration oder eine Bewegung 29 des Werkzeugs 3 hervorgerufen werden, beispielsweise, wenn das zu bearbeitenden Material bei einer Bohrung Inhomogenitäten aufweist und/oder sich derart bewegt, dass das Werkzeug 3 verreißt bzw. verrutscht.
Die spezifischen Störgrößen der jeweiligen Umgebungsschnittstelle zeichnen sich durch entsprechende Frequenzbereiche aus. Zur Kompensation der spezifischen Störgrößen, wie Tremor auf Seiten des Bedieners, aus dem Bearbeitungsprozess selbst und vom Patienten (z. B. Atmung, Herzschlag), werden an der jeweiligen Umgebungsschnittstelle, die aus den einwirkenden Störkräften resultierenden Beschleunigungen gemessen und daraus die spezifischen Frequenzbereiche a_gefiltert ausgefiltert. Anschließend wird die spezifische Kompensationskraft FZ_komp nach dem Newton'schen Grundgesetz mit Hilfe der an der Messstelle vorhandenen charakteristischen Masse m_char berechnet und entgegen der Richtung der Beschleunigung a_gefiltert aufgeschaltet: $F_{Z_komp} = - m_char * a_gefiltert$
Über die Messung der aus den Störgrößen 28, 29 resultierenden Beschleunigungen wird somit der Einfluss der spezifischen Störkräfte kompensiert, bevor sich daraus Positionsabweichungen ergeben können.
Eine besonders hohe Präzisionsgenauigkeit wird dadurch erreicht, dass ein Lagerspiel entlang der Kraftübertragungsachsen, insbesondere entlang der Führungsachse L der Linearmotoren 7 verringert wird. Dies ist insbesondere der Fall für eine Hexaglide-Kinematik, in der der Übertragungsabschnitt 4 ein Gestänge umfassend sechs Stangen umfasst. Ferner wird wie bereits erwähnt, dahingehend bevorzugt, dass insbesondere die Direktantriebe und Gelenke, beispielsweise Gelenke der Verbindungsabschnitte 15, spielfrei in Richtung der Kraftübertragung ausgeformt sind. Auch eine Hochauflösende Positionssensorik zum Erfassen der Position eines Läufers 9 relativ zu einem Stator 8, sowie ein präzises externer Tracking bzw. eine vorrichtungs-exteme Positionserfassung können zu einer hohen Präzisionsgenauigkeit führen.
Insbesondere dadurch, dass eine sehr präzise Führung einer Schubstange 13 erreicht wird, wenn ein Verkanten zwischen einem Motorläufer 9 und einem Stator 8 eines Linearmotors vermieden werden kann, ist es möglich sehr kleine Abstände zwischen Stator 8 und Läufer 9 zu verwirklichen. Infolgedessen können magnetische Felder der Spulen 19 und Permanentmagnete 12 besonders effektiv ausgenutzt werden. Besonders hevorzuheben ist, dass die Schubstange 13 lediglich durch ein Stangenlager bzw. eine Gestängelagerung besonders präzise geführt wird. Dies erlaubt, im Wesentlichen auf weitere zusätzliche Elemente zu verzichten, die zum präzisen Führen oder zum Halten der Schubstange 13 oder anderer damit verbundener Elemente relativ zu dem Vorrichtungskörper 6 dienen würden. Dies wiederum erzielt eine Gewichtsreduktion der Vorrichtung 1. Die erfindungsgemäßen Merkmale führen deshalb insgesamt dazu, dass eine Vorrichtung 1 ein hohes Maß an Kompaktheit, Leichtigkeit und Effizient aufweist.
Zusätzlich können optionale bevorzugte Merkmale der Vorrichtung 1, wie beispielsweise die 4/3 Teilung der Permanentmagnete 12 und der Spulen 19, bewirken dass ein noch höheres Maß an Kompaktheit, Leichtigkeit und Effizient bei hoher Präzision erreicht wird. Beispielsweise können die magnetischen Felder des Linearmotors 7 effizienter genutzt werden und somit der Wirkungsgrad verbessert werden, indem ein Teilungsverhältnis von 4/3 oder höher genutzt wird. Dies führt insbesondere zu einer verbesserten Ausnutzung der magnetischen Flussdichte in einem Spalt d zwischen Stator 8 und Läufer 9. Ferner ist es bevorzugt, die Permanentmagnete 12 aus einem magnetischen Material mit einer insbesondere hohen magnetischen Flussdichte auszubilden, um eine hohe Effizienz und Kompaktheit zu erzielen. Darüber hinaus werden bevorzugt ein sehr schmaler Spalt d, dünne Spulen 19 und ein dünner Läuferkern verwendet, um ein besonders hohes Maß an Kompaktheit zu erreichen. Ferner erreicht man unter anderem auch durch das Anbringen von Permanentmagneten 12 an dem Läufer 9 und Spulen 19 an dem Stator 8, dass ein Läufer 7 besonders leicht ausgestaltet sein kann und dadurch eine besonders kleine Trägheit aufweist und insbesondere schnell ansprechen kann. Auch wird eine Verkabelung von Spulen 19 an einem Läufer 9 dadurch vermieden, dass statt Spulen 19 Permanentmagnete 12 von dem Läufer 9 umfasst werden. Ferner kann die Vorrichtung 1, insbesondere die Gesamtheit der Linearmotoren 7 eine ausreichend hohe Kraft zur Bewegung und Führung des Werkzeugs aufbringen. Eine Störkraftkompensation zum Kompensieren von Störkräften kann dazu verwendet werden, dass Störkräfte 28, 29 an verschiedenen, insbesondere an allen „Umgebungsschnittstellen“, beispielsweise an den Kontaktierungen der Vorrichtung mit Vorrichtungs-externen Elementen, wie dem Bediener 27 oder dem Material 2, erfasst und entsprechend kompensiert werden.
Besonders im Hinblick auf eine Verwirklichung der Störgrößenkompensation und die Mechanik, die für die präzise Führung des Instruments benötigt wird, ist es ein besonderer Vorteil, dass diese dafür notwendigen Elemente derart in die Vorrichtung integriert werden, dass eine kompakte und leichte Bauweise der Vorrichtung gewährleistet werden kann.
Bevorzugt wird durch eine multipel ausgeführte und logisch verschaltete Kommutierungs-Sensorik ermöglicht, dass die Permanentmagnete 12 des Läufers 9 zur Kommutierung direkt verwendet werden können, wodurch auf Indexmagnete zur Positionserfassung des Läufers 9 gegenüber dem Stator 8 verzichtet werden kann. Ferner wird damit bezweckt, dass der Linearmotor 7 nicht um die Länge der Kommutierungssensorik länger gebaut werden muss, da sich stets ein Teil der Läufermagnete im Bereich der Kommutierungssensorik befindet.
Bevorzugt werden gehärtete Stähle für die kraftübertragenden Elemente, insbesondere die Stangen bzw. Gestänge verwendet, um kleine Querschnitte und damit höhere Kompaktheit bei gleichzeitig hoher Stabilität und somit geringem Spiel aufgrund von Durchbiegungen zu erlangen.
Die besonders kompakte Ausbildung der Vorrichtung 1 führt insbesondere bei einem händischen Führen der Vorrichtung 1 zu verbesserten Bedingungen für den Bediener 27, sodass dieser bei der Führung der Vorrichtung 1 möglicherweise weniger Kraft durch den Betreiber 27 aufwenden muss, insbesondere deshalb länger konzentriert operieren bzw. ein Material bearbeiten kann und sich möglichst Fehler vermeiden lassen. Darüber hinaus erlaubt das reduzierte Gewicht der Vorrichtung 1 und deren entsprechend reduzierte Trägheit, die Kompensation von Störungen 28, 29, insbesondere hochfrequenter Störungen. In anderen Worten führt das hohe Maß an Integration der Einzelkomponenten, sowie deren Gewichtsreduktion dazu, dass insbesondere ein handgehaltener Betrieb der Vorrichtung 1 ermöglicht und verbessert werden kann.
Die Erfindung, sowie bevorzugte Ausführungsformen liefern die Vorteile der Robotik, welche beispielsweise unter anderem eine hohe Positionsgenauigkeit, eine schnelle Störkraftkompensation, eine Berechenbarkeit bzw. eine Planbarkeit des Einsatzes, sowie eine Überwachung bzw. Kontrolle der Prozesse bzw. Vorgänge sein können. Die Prozesse können dabei jederzeit beendet werden. Gleichzeitig bleiben die Vorteile eines handgehaltenen bzw. handgeführten Instrumentes, wie beispielsweise unter anderem die haptische Erfahrung und Kontrolle des Bedieners, das Einbringen der Erfahrung des Bedieners oder das Ausrichten der Vorrichtung auf den Zielbereich des Bedieners, erhalten. Demzufolge kann die Synergie der Mensch-Maschine Interaktion bzw. Mensch-Roboter-Kollaboration erfolgreich mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 genutzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Bearbeiten von Material/Robotisches System
2: zu bearbeitendes Material (Knochen)
3: Instrument/Werkzeug/Endeffektor
4: Übertragungsabschnitt (Kinematik)
4a: Dem Übertragungsabschnitt bzw. dem Instrument zugewandte Seite
4b: Dem Übertragungsabschnitt bzw. dem Instrument abgewandte Seite
5: Antriebsabschnitt
6: Vorrichtungskörper/Gehäuse/Gerüst
7: Linearmotor/Linearantrieb
8: Stator
8a: Führungsschiene am Stator
8b: Linearschiene am Stator
8c,d: Wände des Stators
9: Motorläufer
9a: Linearschlitten des Motorläufers
9b: Kopplungslager zur Kopplung der Schubstange
9c: Gleitlager am Linearschlitten des Motorläufers
9': Einheit aus vier Permanentmagneten
10: Statorlager
11: Spiel/Beabstandung/Lücke
12: Permanentmagnet
13: Führungsstange (Schubabschnitt/Schubstange)
14: Gestängelagerung/Stangenlager
15: kinematischer Kopplungspunkt (Verbindungsabschnitt)
16: Optionales Kabel zur Stromversorgung und /oder Datenübertragung
17: Halterung/Griff
19: Spule eines Elektromotors
20: Spulenelement
21: Einheit aus drei Spulen bzw. Spulenelementen
22a: Positionsmesseinheit
23: Träger/Blech
24: Magnetfeldlinien
25: Vorrichtungs-externe Positionserfassung
26: Vorrichtungs-interne Positionserfassung
27: Operateur/Bediener
27a: Hände und Arme des Operateurs/ des Bedieners
28: Störgröße an Halterung (durch Operateur)
29: Störgröße an Instrument
30: Recheneinheit
31: Zu erfassende Ist-Instrumentenposition
32: Zu ermittelnde Soll-Instrumentenposition
33: Zu ermittelnder Korrekturwert
A: Zentrale Achse des Antriebsabschnitts
b: Linearmotorbreite
D: Länge einer Einheitsmaschine bzw. von vier Permanentmagneten
d: Spalt zwischen der inneren Hauptfläche der dem Vorrichtungskörper zugewandten und der inneren Hauptfläche der dem Vorrichtungskörper abgewandten Wand des Stators
L: Führungsachse eines Linearmotors
N: Magnetischer Nordpol
S: Magnetischer Südpol
R: Antriebsrichtung/Schubrichtung
R': Antriebsrichtung/Rückzugsrichtung
t: Erste transversale Richtung zur Längsachse des Linearmotors
t': Zweite transversale Richtung zur Längsachse des Linearmotors
x: Raumrichtung
y: Raumrichtung
z: Raumrichtung

Claims

Vorrichtung (1) zum Führen eines Werkzeugs (3) für die Bearbeitung von Material, insbesondere für Operationen an Knochengewebe, umfassend: - einen Vorrichtungskörper (6); und - mindestens einen Linearmotor (7) zum Bewegen eines kinematischen Kopplungspunkts für das zu führende Werkzeug entlang einer Führungsachse (L) des Linearmotors, wobei der Linearmotor umfasst: -- einen zumindest in Richtung parallel zur Führungsachse (L) des Linearmotors relativ zum Vorrichtungskörper (6) fixierten Stator (8); -- einen relativ zu dem Stator (8) entlang einer Antriebsbahn des Linearmotors durch magnetische Kräfte angetriebenen und positionierbaren Motorläufer (9); -- eine zumindest in Richtung parallel zur Führungsachse (L) des Linearmotors relativ zum Motorläufer (9) fixiert gekoppelte Führungsstange (13), an welcher der kinematische Kopplungspunkt ausgebildet ist; und -- ein relativ zu dem Vorrichtungskörper befestigtes Stangenlager (14) zur Führung der Führungsstange (13) entlang der Führungsachse (L) des Linearmotors, wobei in zumindest einer Richtung transversal zur Führungsachse (L) des Linearmotors der Stator (8) relativ zu dem Vorrichtungskörper (6) und/oder der Motorläufer (9) relativ zur Führungsstange (13) beweglich ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Stator (8) zumindest abschnittsweise relativ zum Vorrichtungskörper (6) um eine Statorkompensationsverschiebung transversal beweglich ist, welche um zumindest einen Faktor 5, vorzugsweise zumindest einen Faktor 10, noch mehr bevorzugt zumindest einen Faktor 20, am meisten bevorzugt zumindest einen Faktor 50 größer ist als eine transversale Beweglichkeit der Führungsstange (13) relativ zum Stangenlager (14) und/oder als eine longitudinale Beweglichkeit des Motorläufers (9) relativ zur Führungsstange (13).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Motorläufer (9) zumindest abschnittsweise relativ zur Führungsstange (13) um eine Läuferkompensationsverschiebung transversal beweglich ist, welche um zumindest einen Faktor 2, vorzugsweise zumindest einen Faktor 8, noch mehr bevorzugt zumindest einen Faktor 10, am meisten bevorzugt zumindest einen Faktor 15 größer ist als eine transversale Beweglichkeit der Führungsstange (13) relativ zum Stangenlager (14) und/oder als eine longitudinale Beweglichkeit des Motorläufers (9) relativ zur Führungsstange (13).
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator (8) eine Vielzahl von Elektromagneten und der Motorläufer (9) zumindest einen Permanentmagneten, vorzugsweise eine Vielzahl von Permanentmagneten umfasst.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei der Stator eine Vielzahl von Magnetspulen mit jeweiligen, zueinander parallelen Spulenachsen umfasst, welche im Wesentlichen senkrecht zur Führungsachse (L) des Linearmotors verlaufen und vorzugsweise in einer Ebene im Wesentlichen parallel zur Führungsachse (L) des Linearmotors liegen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Motorläufer eine Vielzahl von in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Führungsachse nebeneinander angeordnete Permanentmagneten mit abwechselnder Polung aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator (8) zwei parallel zueinander ausgerichtete Wände umfasst, zwischen denen zumindest ein Abschnitt des Motorläufers (9) entlang der Antriebsbahn geführt wird.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Luftspalt zwischen dem Stator und dem Motorläufer nicht größer als etwa 0,75 mm, bevorzugt 0,2 mm bis 0,5 mm, noch bevorzugter 0,2 mm bis 0,35 mm.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator an der dem Motorläufer abgewandten Seite kein magnetisches Joch aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Motorläufer (9) mittels zumindest einer relativ zu dem Stator (8) befestigten Motorläuferführungsschiene entlang der Antriebsbahn des Linearmotors geführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vier in einer Richtung parallel zur Führungsachse (L) des Linearmotors nebeneinander angeordnete Permanentmagnete des Motorläufers mit abwechselnder transversaler Polung eine Länge im Wesentlichen in Richtung parallel zur Führungsachse (L) aufweisen, die einer Länge von drei in einer im Wesentlichen in Richtung parallel zur Führungsachse (L) nebeneinander angeordneter Magnetspulen des Stators entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Linearmotoren mit jeweils einer Führungsachse (L) eine mehrdimensionale Bewegung eines Werkzeugs bewirken kann.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend ein Störgrößenkompensationssystem zur Kompensation von an den Umgebungsschnittstellen von Werkzeug (3) und Halterung (17) einwirkenden Störkräften, wobei insbesondere die spezifischen Störkräfte der jeweiligen Umgebungsschnittstelle mit einem charakteristischen Frequenzbereich kompensiert werden.
Verwenden der Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Bearbeitung von Material, insbesondere von Knochengewebe (2), Weichteilen und anderen Teilen, insbesondere Organen des menschlichen und/oder tierischen Körpers.