DE10250496A1

DE10250496A1 - Eingabegerät nach parallelkinematischem Prinzip und mit haptischer Rückkopplung

Info

Publication number: DE10250496A1
Application number: DE10250496A
Authority: DE
Inventors: Albert Schaeffer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2003-06-05
Also published as: AU2002351663A1; WO2003038541A2; US7356448B2; ATE418096T1; EP1440363A2; EP1440363B1; DE50213135D1; US20050156877A1; DE10295032D2; WO2003038541A3

Abstract

Es wird ein Eingabegerät nach parallelkinematischem Prinzip und mit haptischer Rückkopplung für einen Rechner, insbesondere zur medizinischen Teleoperation mit Instrumenten vorgeschlagen, mit einem Gestell (10) und einem relativ zum Gestell (10) beweglichen, ein Griffteil (70) aufweisenden Trägerelement (30), wobei Gestell (10) und Trägerelement (30) mit mehreren, an diesen jeweils beidseitig angelenkten, kraftsensitiven Linearaktuatoren (20, 21) gekoppelt sind. Wesentlich dabei ist, dass das Trägerelement (30) ein weiteres Griffteil (71) aufweist, das zum ersten Griffteil (70) beweglich ist, und dass wenigstens ein Griffteil (70, 71) mit einem kraftsensitiven Griffaktuator (90) gekoppelt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind sechs, zwei ineinander verschränkte Dreibeine bildende Linearaktuatoren (20, 21) vorgesehen, deren Spitzen an dem Trägerelement (30) angelenkt und zudem in Trägerelementrichtung zueinander verschieblich sind, so dass der Griffaktuator (90) durch die Gesamtheit der sechs Linearaktuatoren (20, 21) ersetzt wird. In einer Weiterbildung wird ein zusätzlicher rotatorischer Freiheitsgrad mittels einem Schrittmotor (80) zur Verfügung gestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Eingabegerät nach parallelkinematischem Prinzip und mit haptischer Rückkopplung für einen Rechner, insbesondere zur medizinischen Teleoperation mit Instrumenten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Eingabegeräte werden bevorzugt für diffizile Manipulationen an Gegenständen benötigt, die eine Person an diesen nicht unmittelbar selbst mittels Handkraft, sondern remotiv über eine Hilfsmaschine bzw. einen Roboter mit Gefühl vornehmen soll. Zumeist sind dies komplexe Tätigkeiten, die ein flexibles, manuelles Eingreifen der Bedienperson erfordern und bei denen eine ausschließlich visuelle Kontrolle der Roboteraktivität nicht ausreichend ist. Hierzu erhält die vom Arbeitsort üblicherweise örtlich getrennte Bedienperson über eine haptische Rückkopplung des Eingabegeräts wichtige, vom visuellen Sinneskanal unabhängige Zusatzinformationen. Durch den haptischen Sinneskanal, der sowohl taktile als auch kinästhetische Eindrücke vermittelt, werden für die Bedienperson z. B. die Position, die Orientierung, das Gewicht und die Trägheit des Roboters und eines evtl. aufgesetzten Werkzeuges greif bzw. fühlbar gemacht. Außerdem kann die bedienende Person Informationen über den zu manipulierenden Gegenstand selbst erhalten, wie z. B. dessen Größe, Form, Festigkeit und Oberflächenbeschaffenheit. Die Bedienperson kann somit mit Hilfe des Roboters und des Eingabegeräts die Arbeitsumgebung vollständig ertasten und die Wirkung ihres entfernten Tuns fühlen - mit oder ohne zusätzlich visueller Kontrolle. Typische Anwendungsbereiche für eine derartige Telenavigation bzw. -operation sind Arbeiten in lebensfeindlichen Umgebungen wie z. B. in Kernkraftwerken, unter Wasser oder im Weltraum. Steuerung von Baumaschinen, Entschärfung von Bomben sowie insbesondere die Telechirurgie sind weitere Anwendungsbeispiele bei denen die haptische Rückkopplung eines (Fern-)Eingabegerätes erwünscht oder sogar unbedingt erforderlich ist.
Solche Eingabegeräte können aber auch für die computerunterstütze Simulation oben beschriebener Manipulationen an Gegenständen oder menschlichen Körpern verwendet werden, wie z. B. zu Versuchs-, Lehr- und Trainingszwecken. Dabei ist sowohl das manipulierende Werkzeug, evtl. ohne Roboter, als auch das zu bearbeitende Objekt lediglich virtuell in einem Computer bzw. auf dessen Bildschirm vorhanden. Im einfachsten Fall kann dies ein Mauszeiger oder ein dargestellter Finger auf einer grafischen Benutzeroberfläche mit Druckknöpfen sein.
Selbstverständlich können derartige Eingabegeräte auch in Kombinationen aus realer und virtueller Manipulation bzw. haptischer Rückkopplung eingesetzt werden.
Es sind bereits Eingabegeräte mit haptischer Rückkopplung für Rechner bekannt. So ist in "A High-Bandwidth Force-Controlled Haptic Interface", C. D. Lee, D. A. Lawrence, L. Y. Pao., Proc. ASME Dynamic Systems and Control Division, DSC- Vol. 69-2, ff. 1299-1308, Orlando, FL, Nov. 2000, (s.a. http:/ / web.archive.org/2001*/http:/ / osl-www.colorado.edu/Research/haptic/hapticInterface.shtml) ein derartiges Eingabegerät mit parallelkinematischem Prinzip beschrieben. Das an der Universität von Colorado entwickelte Gerät weist fünf Linearaktuatoren mit jeweils einem stabförmigen Zug-/Schubelement auf. Die Linearaktuatoren bzw. deren Zug-/Schubstangen bilden im Wesentlichen ein Zwei- und ein Dreibein, deren fußseitige Enden einzeln an einem gemeinsamen Gestell beweglich angelenkt sind und deren spitzseitige Enden jeweils über Vielfachanlenkungen mit einem ebenfalls stabförmigen Trägerelement beweglich gekoppelt sind. Ferner ist auf dem Trägerelement ein stiftähnlicher Griff angeordnet. Insgesamt stehen bei diesem Eingabegerät fünf mechanische Freiheitsgrade mit haptischem Feedback sowie zwei, an dem Griff angeordnete Ein-/Austasten zur Verfügung, wobei Aktuatoren und Tasten mit einem Computer verbunden sind. Ein wesentlicher Nachteil dieses Gerätes besteht darin, dass zur Betätigung in dessen grazile Struktur aus den fünf Linearaktuatoren und dem Griff eingegriffen werden muss, wobei u. U. die Hand oder der Unterarm der Bedienperson mit den Aktuatoren kollidiert. Dies kann unerwünschte Steuereffekte hervorrufen, zur Beschädigung des Geräts oder sogar zu Verletzungen am Unterarm führen. Zudem stehen lediglich fünf aktive Freiheitsgrade zur Verfügung und die Tasten am Griff des Trägerelements erlauben nur die Eingabe boolescher Informationen.
Bekannt ist zudem eine in den 90er Jahren am Lehrstuhl für Ergonomie der Technischen Universität München ständig weiterentwickelte Vorrichtung mit der Kurzbezeichnung "Spinne". Diese ist u. a. in der Dissertation "Das Aktive Stellteil - ein ergonomisches Bedienkonzept", Bolte Uwe, 1991, beschrieben (s.a. http:/ / web.archive.org/web/2001*/http:/ / www.ergonomie.tum.de/~rausch/Spinne/spider.htm). Die mit einer Rechnereinheit verbundene Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem parallelkinematischen, sechsachsigen Antrieb und einem Bedienknauf. Dabei umfasst der Antrieb sechs von Schrittmotoren angetriebene Spindeln, die paarweise angeordnet die Form eines Dreibeins bilden, wobei jeweils ein Bein aus zwei zueinander annähernd parallel geführten Spindeln besteht. An der Spitze des Dreibeines befindet sich der Bedienknauf, der mit den Spindel über eine dreieckige Platte gekoppelt ist. Die Vorrichtung verfügt über eine Kraftrückübertragungsmöglichkeit in sechs Freiheitsgraden, wobei der Bedienknauf selbst passiv ist. Aufgrund der trägen und grobmotorischen Funktionsweise eignet sich die Vorrichtung nicht für diffizile Manipulationen, wie sie z. B. zur Handhabung bzw. zur Fernsteuerung von chirurgischen Instrumenten erforderlich sind. Zudem ist der Aktionsbereich der Vorrichtung sehr eingeschränkt, so dass ein größerer Bereich nur mit Hilfe entsprechender Abbildungsmaßstäbe größer eins bearbeitet werden kann. Zusätzliche Werkzeugfunktionen mit entsprechender haptischer Rückkopplung stehen neben der bloßen Navigation eines angeschlossenen Roboters bei dieser Vorrichtung nicht zur Verfügung.
Schließlich ist aus der US-PS 5,731,804 und der US-PS 5,805,140 (s.a. http:/ /web.archive.org/web/2001*/http:/ / www.immersion.com/products/custom/lapoimpulse.shtml#) ein Eingabegerät mit fünf Freiheitsgraden und haptischer Rückkopplung für medizinische Operationszwecke bekannt, bei dem ein Griffpaar eines laparoskopischen Instruments integriert ist. Bei diesem Gerät werden zwei rotatorische Freiheitsgrade über eine zweiachsige, kardanische Aufhängung zur Verfügung gestellt. Senkrecht zu den Rotationsachsen und in dessen Schnittpunkt wird ein linearer Freiheitsgrad mit einem verschieblichen Trägerelement seriell bereitgestellt. Um dessen Verschiebeachse, in welcher der Schaft des laparoskopischen Instrumentes implementiert ist, besteht eine zusätzliche Rotationsmöglichkeit. Die Beweglichkeit des Griffpaares bildet den fünften Freiheitsgrad. Nachteilig an diesem Eingabegerät ist der aufwendige und im Wesentlichen serielle Aufbau der Kinematik mit den fachbekannten Schwachstellen. Zudem sind lediglich für die kardanische Aufhängung und für die Verschiebeachse entsprechende Force-Feedback-Funktionen vorgesehen. Der in der praktischen Ausführung auf wenige Grad eingeschränkte Schwenkbereich lässt eine realitätsnahe Laparoskopie nur in unbefriedigendem Maße zu.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein parallelkinematisches Eingabegerät mit haptischer Rückkopplung zu schaffen, das eine aktive Betätigungsfunktion für ein reales oder virtuelles Werkzeug zur Verfügung stellt und ein intuitives, realitätsgetreues Manipulieren in einfacher Weise für viele Anwendungszwecke erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Eingabegerät oben genannter Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den entsprechend rückbezogenen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Demgemäß weist das Trägerelement ein weiteres Griffteil auf, das relativ zum ersten Griffteil beweglich ist. Zudem sind die zueinander beweglichen Griffteile über einen vorzugsweise mit dem Rechner verbundenen, kraftsensitiven Griffaktuator gekoppelt. Im Gegensatz zu den bekannten einteiligen Griffen, wie stiftähnliche Griffel oder Knaufe, können mit einem zweiten Griffteil, das mit dem ersten ein korrespondierendes Griffteilpaar bildet, beliebige Griffe nachgebildet werden. Vorzugsweise sind dies Griffe von handbetätigten Werkzeugen und Instrumenten, wie beispielsweise Scheren, Zangen, Zwingen, Spritzen oder jeglichem anderen Werkzeugen bzw. Instrumenten mit vergleichbaren, für Hände oder Finger bestimmten Griffflächen. Auch einfache Tasten, Schieber oder Hebel, bei denen weniger der Greif-, sondern vielmehr ein Betätigungszweck im Vordergrund steht, wie beispielsweise bei einer Bohrmaschine, sind denkbar. Bei dem erfindungsgemäßen Griffteilpaar ist von Vorteil, dass sich die Bedienperson nun nicht mehr auf unergonomische Bedienelemente oder ungewohnte Griffe einstellen muss. Auf eine an entsprechenden Werkzeugen mühsam erworbene Fertigkeit kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Umstellung weiterhin zurückgegriffen werden. Insbesondere Chirurgen, welche sich in einem jahrelangen und ständig anhaltenden Training die Handgriffe für das präzise Bedienen des medizinischen Instrumentariums aneignen müssen, profitieren von der beschriebenen Lösung mit zwei Griffteilen. Nahezu jedes handbetätigte Werkzeug, für das zum Betätigung mindestens ein Gelenk vorgesehen ist, kann mit zwei zueinander beweglichen Griffteilen entsprechend nachgebildet werden. Die Betätigungsrichtung der Griffteile ist dabei vorzugsweise parallel zur Längsausdehnung des Trägerelements ausgerichtet, kann aber auch senkrecht oder in jedem anderen Winkel dazu stehen. Selbstverständlich ist es auch möglich, Werkzeuge nachzubilden, die keinen eigenen Betätigungsmechanismus aufweisen wie z. B. ein Schraubendreher oder ein Skalpell. Ebenso ist dies auch für Werkzeuge oder Maschinen möglich, die nicht unmittelbar von Hand betätigt werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Eingabegeräts ist, dass die zueinander beweglichen Griffteile mittels einem zwischengeschalteten, kraftsensitiven Griffaktuator ebenfalls über eine haptische Rückkopplung verfügen. Als Griffaktuatoren können bekannte Antriebe, wie z. B. elektromagnetische Linear- oder Schrittmotoren eingesetzt werden. Auch pneumatische oder hydraulische Antriebe sind hierfür denkbar. Es versteht sich von selbst, dass die Stellung derartiger Aktuatoren durch entsprechende Ansteuerung beliebig veränder- bzw. positionierbar oder in sonstiger Weise einstellbar ist. Als kraftsensitive Aktuatoren verfügen diese über eine zusätzliche Sensorik, mit der eine entgegenwirkende Last, wie z. B. Gegenkraft, bewegte Masse und/oder Reibung, ermittelt werden kann. Mit Hilfe einer mit dem Griffaktuator verbundenen Rechnereinheit kann beispielsweise beim Aufeinanderzubewegen der Griffteile der dem Werkzeug vom bearbeiteten Gegenstand entgegengebrachte Widerstand, der sich während dieser Ausführung der Werkzeugfunktion ergibt, der Hand bzw. den Fingern adäquat rückgemeldet werden. Für andere Bewegungsarten wie Auseinanderbewegen, Verschwenken oder Verdrehen der Griffteile gilt dies entsprechend. Selbstverständlich ist es auch möglich, den realen oder virtuellen Gegenstand lediglich abzutasten, ohne ihn dabei zu bearbeiten. Der verwendete Griffaktuator kann dabei beliebige Freiheitsgrade aufweisen, vorzugsweise den oder die gleichen wie die Griffteile selbst. Von Vorteil ist, wenn der Griffaktuator mindestens eines der Griffteile mit entsprechenden Gelenken gleichzeitig trägt und/oder führt. Dabei kann der Griffaktuator auf oder an dem Trägerelement und teilweise an den Griffteilen oder nur an den Griffteilen befestigt sein.
Das im Stand der Technik für Bearbeitungsmaschinen oftmals eingesetzte parallelkinematische Aufbauprinzip mit mehreren, vorzugsweise identischen Linearaktuatoren, ist für Eingabegeräte bzw. für Ein-/Ausgabegeräte im Allgemeinen wenig bekannt. Dennoch lassen sich auch bei diesen Vorrichtungen gegenüber solchen mit seriellen Kinematiken vergleichbare Vorteile, wie z. B. geringerer Bauteile- und Wartungsbedarf, höhere Präzision und Dynamik sowie einfachere Ansteuerung erzielen. Die verwendeten längenveränderlichen Linearaktuatoren können vorzugsweise elektromagnetische Lineardirektantriebe, aber auch pneumatische oder hydraulische Lineardirektantriebe sein. Ferner sind beispielsweise Spindel- und Zahnstangenantriebe denkbar, wobei lediglich der Abstand der Anlenkungen variabel und die Spindel bzw. die Zahnstange an sich längenkonstant ist. Als kraftsensitive Aktuatoren lassen auch diese Antriebe eine Regelung von Auslenkung und entgegenwirkender Last zu. Die Linearaktuatoren des erfindungsgemäßen Eingabegeräts sind in üblicher Weise mittels Anlenkungen, wie Kardan-, Kugelkopf oder Kugelschalengelenk oder einem hierzu alternativen Gelenk, sowohl mit dem Gestell als auch mit dem Trägerelement jeweils in zwei rotatorischen Freiheitsgraden bzw. schwenkbeweglich verbunden, wobei die Linearaktuatoren bzw. deren Aktoren und Statoren zusammen ein Dreibein bilden. Mehrere einzelnen Anlenkungen an einer Stelle oder an einem engen Bereich, wie dies zwischen dem Trägerelement und der Spitze des durch die Linearaktuatoren gebildeten Dreibeins der Fall ist, werden als eine Vielfachanlenkung bezeichnet. Selbstverständlich ist es dem Fachmann auch möglich mehrere solcher Anlenkungen auch tatsächlich konstruktiv zu kombinieren, wodurch sich wiederum Genauigkeits- und Berechnungsvorteile ergeben. Das Gestell selbst kann mehrebenig ausgeführt sein oder beispielsweise eine einfach Halterung oder eine ebene Befestigungsplatte sein. Das Trägerelement an sich ist vorzugsweise als gerader Stab, z. B. als Rohr oder Vierkantprofil, ausgeführt. Ferner ist es möglich, das Trägerelement bogenförmig auszuführen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach Patentanspruch 2 sind an dem Gestell neben den drei bereits vorhandenen drei weitere Anlenkungen vorgesehen. Zudem ist die weitere Anlenkung des Trägerelements als eine zweite Vielfachanlenkung mit drei einzelnen oder zusammengefassten Anlenkungen ausgebildet. Wesentlich dabei ist, dass zusätzlich drei weitere kraftsensitive Linearaktuatoren vorgesehen sind, die jeweils an der zweiten Vielfachanlenkung des Trägerelements und an den drei weiteren Anlenkungen des Gestells angreifen. Die drei Linearaktuatoren bzw. deren Aktoren und Statoren bilden dabei im Wesentlichen ein zweites Dreibein. Ferner ist die erste Vielfachanlenkung relativ zur zweiten Vielfachanlenkung beweglich. Das bedeutet, dass die beiden Spitzen der Dreibeine ebenfalls zueinander beweglich sind, wohingegen die sechs gestellseitigen Anlenkungen bzw. die Füße der Dreibeine zueinander ortskonstant bleiben. Erfindungswesentlich ist außerdem, dass die sechs Linearaktuatoren bzw. die beiden Dreibein im Funktionszusammenhang den Griffaktuator bilden und die beiden Griffteile je einem der Dreibeine konstruktiv zugeordnet ist. Wie im Stand der Technik bekannt sind hierbei die Orte der sechs gestellseitigen Anlenkungen zueinander konstant. Die Vielfachanlenkungen am Trägerelement und die an diese gekoppelte Linearaktuatoren des einen Dreibeins sind jedoch gegenüber denen des anderen Dreibeins beweglich. Es genügt hierbei beispielsweise, wenn die Vielfachanlenkungen des einen Dreibeins in Achsrichtung des Trägerelements verschieblich angeordnet sind. Dies kann über ein längenvariables Trägerelement, wie eine z. B. Zylinder/Kolben-Kombination, oder über ein längskonstantes Trägerelement mit einem daran geführten Schieber sein. Das Trägerelement kann somit im Wesentlichen aus zwei zueinander beweglichen Teilen bestehen, wobei jedem Teil des Trägerelements ein Griffteil und die Vielfachanlenkung eines Dreibeins zugeordnet bzw. daran befestigt sind. Dabei ist zum einem vorteilhaft, dass der Freiheitsgrad des mehrteiligen Trägerelements für die zu bewegenden Griffteile als Griffgelenk verwendet werden kann. Der Griffaktuator muss die Griffteile nicht mehr führen und kann entsprechend einfacher ausgeführt werden. Als besonderer Vorteil erweist sich zum anderen, dass die in zwei Dreibeine aufgeteilten Linearaktuatoren den Griffaktuator gänzlich ersetzen können. Hierfür stehen mit sechs Linearaktuatoren ausreichend Freiheitsgrade zur Verfügung. Bei zueinander ortsfesten Vielfachanlenkungen des Trägerelements sind zur mathematischen Definiertheit der Stellung/Last des Eingabegeräts bekanntlich nur fünf Freiheitsgrade erforderlich. Die fehlende Information für die Griffstellung/-last wird aus der Stellung/Last des sechsten Linearaktuators gewonnen. Bleibt die Griffstellung/-last während der Bedienung konstant, so wirkt sich der sechste Linearaktuator aufgrund der mathematischen Überbestimmung positiv auf die Präzision und Zuverlässigkeit aus. Zudem wird in diesem Fall die Stabilität und die Ausfallsicherheit des erfindungsgemäßen Eingabegeräts erhöht.
Grundsätzlich ist anzumerken, dass sich die mathematischen Berechnungen bei der Ansteuerung bzw. Auswertung der Stellung/Last besonders einfach gestalten, wenn jeweils drei der Linearaktuatoren ein ideales Dreibein bilden, an deren Spitzen das Trägerelement angelenkt ist. Treffen sich in den Spitzen die Achsen der Linearaktuatoren zumindest fiktiv in einem einzigen Schnittpunkt und liegt dieser Schnittpunkt in der Achse des Trägerelements, kann mit trivialen Berechnungsmethoden verfahren werden. Unter entsprechender mathematischer Berücksichtigung können die Linearaktuatoren der Dreibeine aber auch windschief aufeinander zulaufen, z. B. wenn die Anlenkungen am Trägerelement wie im Stand der Technik nebeneinander angeordnet sind oder sich die Rotationsachsen einer Anlenkung nicht schneiden. Bei konstruktiver Zusammenfassung mehrerer Anlenkungen im Konvergenzbereich der Dreibeine zu können in vorteilhafter Weise Gelenkspiele verringert und zudem Kosten eingespart werden.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Struktur der erfindungsgemäßen Eingabegeräts, bestehend aus Gestell, Linearaktuatoren und Trägerelement, je nach Gegebenheiten am Installationsort variabel konfiguriert werden kann. So ist es möglich, den sich zwischen den beiden Vielfachanlenkungen befindlichen Abschnitt des Trägerelements außerhalb beider Dreibeine, außerhalb des einen und innerhalb des anderen Dreibeins, oder innerhalb beider Dreibeine anzuordnen. Zu Versuchszwecken oder bei großem Platzangebot ist vorzugsweise die erste Konfiguration zu wählen. Beispielsweise bei beengten Raumverhältnissen, bei einer Installation teilweise unterhalb eines Schreibtisches oder bei einer Überkopfinstallation können die letzteren zwei Möglichkeiten mehr Vorteile bieten.
Die jeweiligen gestellseitigen Anlenkung der beiden Dreibeine können jeweils eine Gestellebene aufspannen, die vorzugsweise parallel zueinander beabstandet sind. Die zwei Gestellebenen können beispielsweise als Ringe ausgeführt und über Abstandshalter fest miteinander verbunden sein. Die mathematischen Berechnungen vereinfachen sich erheblich, wenn die jeweiligen gestellseitigen Anlenkungen der Dreibeine die Eckpunkte zweier gleichseitige Dreiecke sind, insbesondere dann, wenn die Dreiecke parallel zueinander beabstandet sind, und die Verbindungsgerade der Dreiecksschwerpunkte zu den Dreiecken senkrecht steht und die beiden Dreiecke um die Verbindungsgerade um einen sechstel Vollkreis, d. h. um 60 Grad, gegeneinander verschwenkt sind.
Gemäß einer im Patentanspruch 7 gekennzeichneten alternativen Ausführungsform sind an Stelle von drei weiteren nur zwei weitere Anlenkungen am Gestell vorgesehen. Wie bei der Ausführungsform zuvor ist hier die weitere Anlenkung am Trägerelement ebenfalls als eine zweite Vielfach- bzw. Zweifachanlenkung ausgebildet. Ferner sind zwei weitere kraftsensitive Linearaktuatoren vorgesehen, die jeweils an der zweiten Vielfachanlenkung und an den zwei weiteren Anlenkungen des Gestells angreifen, wobei die Linearaktuatoren im Wesentlichen ein Zweibein bilden und der Abstand zwischen den beiden Vielfachanlenkungen konstant ist. Das Gruppieren in ein Zwei- und ein Dreibein hat wiederum mathematische Vorteile. Das Trägerelement selbst ist längskonstant und vorzugsweise einteilig ausgeführt. Der Griffaktuator ist von den Linearaktuatoren kinematisch unabhängig auf oder an dem Trägerelement angeordnet, so dass neben der Beweglichkeit der Griffteile ebenfalls fünf Freiheitsgrade für die allgemeine Navigation zur Verfügung stehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Patentanspruch 8 ist das stabförmige Trägerelement über deren weitere Anlenkung direkt bzw. unmittelbar mit dem Gestell gekoppelt. Die weitere Anlenkung des Trägerelements stellt demzufolge zugleich die Anlenkung am Gestell dar. Außerdem ist die Vielfachanlenkung wie im ersten Ausführungsbeispiel relativ zu der weiteren Anlenkung beweglich, vorzugsweise in Achsrichtung des Trägerelements zueinander verschieblich. Neben der Beweglichkeit der Griffteile stehen zwei rotatorische Freiheitsgrade, d. h. Schwenkbeweglichkeit um die weitere Anlenkung des Trägerelements, vorzugsweise in einem Punkt, zu Verfügung. Der Abschnitt des Trägerelements, der sich zwischen der Vielfachanlenkung und der weiteren (gestellseitigen) Anlenkung befindet, ist vorzugsweise längenveränderlich, z. B. mittels einer Zylinder/Kolben-Kombination. Das Trägerelement kann aber auch längenkonstant sein, wobei es dann erforderlich ist, dass dieses gegenüber der weiteren (gestellseitigen) Anlenkung verschieblich, z. B. als eine im Drehpunkt schwenkbare Zahnstange, ausgeführt ist. Mit diesem zusätzlichen linearen Freiheitsgrad in Achsrichtung des Trägerelements kann demnach der Abstand der beider Griffteile zum Schwenkpunkt, d. h. zur weiteren (gestellseitigen) Anlenkung des Trägerelements, verändert werden. Diese Veränderbarkeit kann als "Eintauchen" der Griffe bzw. des Instrumentes in den zu bearbeitenden Gegenstand umschrieben werden. Ist der Griffaktuator unmittelbar zwischen den Griffteilen, d. h. von dem Dreibein kinematisch unabhängig angeordnet, so sind die drei Linearaktuatoren auch für die mathematische Bestimmtheit dieses zusätzlichen Freiheitsgrades ausreichend. Dieses einfache, mit nur drei Linearaktuatoren gebildete Eingabegerät eignet sich hervorragend für weniger komplexe Aufgaben. So ist beispielsweise bei einem einfacheren laparoskopischen Eingriff in einer Bauchdecke eine auf einen vorgegebenen Schwenkpunkt eingeschränkte Längsbeweglichkeit nicht weiter hinderlich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn dem Dreibein und dem Griffaktuator je eines der Griffteile zugeordnet ist. Beispielsweise kann das Trägerelement als Schieber/Führungs-Kombination ausgebildet sein, wobei der erste Teil dieser Kombination mit dem ersten Griffteil und der Vielfachanlenkung des Trägerelements fest verbunden ist, während der zweite Teil gegenüber dem ersten verschieblich ist und mit dem zweiten Griffteil und der weiteren (gestellseitigen) Anlenkung des Trägerelements verbunden ist. Der erste Griffaktuator kann hierbei an einer beliebigen Stelle zwischen der weiteren (gestellseitigen) Anlenkung des Trägerelements und dem zweiten Griffteil angeordnet sein. Beispielsweise kann dies bei Verwendung einer Zahnstange als zweites Teil der Schieber/Führungs- Kombination unmittelbar in der weiteren (gestellseitigen) Anlenkung der Fall sein. Alternativ kann der Griffaktuator an seinen Angreifpunkten auch in das Trägerelement zwischengeschaltet bzw. integriert werden, wobei das Trägerelement in diesem Abschnitt dann quasi ein viertes aktives Bein darstellt.
Wie bei den vorgenannten Ausführungsformen vereinfachen sich auch bei dieser die Berechnungsmethode und der Konstruktionsaufwand, wenn die drei Linearaktuatoren ein ideales Dreibein bildet, an dessen Spitze das Trägerelement wenigsten fiktiv angelenkt ist.
Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn die drei Anlenkungen des Gestells und die weitere (gestellseitige) Anlenkung des Trägerelements in einer Ebene liegen. Vorzugweise sind dabei die drei Anlenkungen des Gestells die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks, in dessen Schwerpunkt die weitere (gestellseitige) Anlenkung des Trägerelement angeordnet ist. Die Ebene bzw. das Dreieck kann zugleich Gestellebene sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens für sämtliche vorbeschriebenen Ausführungsformen sind die beiden Griffteile um das Trägerelement drehbeweglich angeordnet, wobei ein kraftsensitiver Griffdrehaktuator vorgesehen ist, über den mindestens eines der Griffteile mit dem Trägerelement gekoppelt ist. Vorzugsweise sind die beiden Griffteile miteinander drehfest verbunden, so dass es ausreichend ist, nur ein Griffteil mit dem Griffaktuator zu koppeln. Bei entsprechender Drehbewegung des ersten Griffteils folgt das zweite dem ersten zwangsgeführt in Drehrichtung um das Trägerelement. Durch die Ergänzung eines weiteren rotatorischen Freiheitsgrades erhöht sich die Flexibilität des Eingabegeräts enorm. Es sind Drehbewegung, z. B. die eines Schraubendrehers, möglich. In Kombination mit dem ersten Griffaktuator können komplexe Aufgaben, wie z. B. Schneiden und Aufrollen eines Fadens mit einer Schere, unter haptischer Rückkopplung durchgeführt werden. Als kraftsensitiver Griffdrehaktuator kann ein Schrittmotor eingesetzt werden.
In einer alternativen Ausführungsform mit zusätzlichem rotatorischen Freiheitsgrad ist das Trägerelement mindestens dreiteilig ausgeführt, wobei zwei der Teile in der Vielfachanlenkung drehbeweglich sind und über einen kraftsensitiven Griffdrehaktuator mit dem dritten Teil gekoppelt sind. Die Griffteile können jeweils drehfest an den ersten zwei Teilen des Trägerelements befestigt sein. Das Trägerelement ist hierbei vorzugsweise als Schieber/Führungs-Kombination ausgeführt, wobei Schieber und Führung gegeneinander drehfest sind und als Kombination in der Vielfachanlenkung und in Achsrichtung des Trägerelements, z. B. mittels einem Drehkranz, drehbeweglich sind. Als kraftsensitiver Griffdrehaktuator kann wiederum ein Schrittmotor verwendet werden. Dieser ist zwischen den drehbeweglichen Teilen und dem dritten Teil eingeschaltet, wobei das dritte Teil zu der zweiten Vielfachanlenkung bzw. zu der weiteren Anlenkung drehfesten ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ragt das Trägerelement aus dem Bereich, den die Vielfachanlenkung und die weiterer Anlenkung des Trägerelements bilden, in Achsrichtung des Trägerelements hinaus. Mindestens ein Griffteil ist dabei außerhalb dieses Bereichs angeordnet. Es ist sowohl möglich, das Trägerelement einseitig über diesen Bereich hinaus zu verlängern und beide Greifteile an dieser einen Verlängerung, also einseitig außerhalb anzuordnen, als auch das Trägerelement beidseitig zu verlängern und je eines der Griffteile an je einer der sich gegenüberliegenden Verlängerung, also beidseitig außerhalb anzuordnen. Durch die Verlängerung des Trägerelements können die Griffteile außerhalb des Bewegungsbereiches der Linearaktuatoren angeordnet werden. Von wesentlichem Vorteil ist dabei, dass die Hand oder die Finger der Bedienperson nicht mehr mit den Aktuatoren kollidieren können. Zudem können die Linearaktuatoren und das Gestell deutlich von den Griffteilen beabstandet sein. Beispielsweise ist es möglich, Gestell und Linearaktuatoren in kompakter Bauweise unterhalb und die Griffteile oberhalb eines Schreibtisches anzuordnen, wobei das Trägerelement durch die Gestellebene und/oder Tischoberfläche hindurchragt. Ferner ist es von Vorteil, das Gestell mit den Linearaktuatoren beispielsweise gegen Staub und sonstige Umwelteinflüsse zu kapseln und nur noch die Greifteile der Bedienperson zugänglich zu halten.
Je nach Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Eingabegeräts kann es von Vorteil sein, wenn mindestens eines der beiden Griffteile mindestens eine Greiföffnung aufweist, z. B. für wenigstens einen Finger ähnlich wie bei einer Schere.
Durch Vorhalten mehrere Griffteile, die am Trägerelement entsprechend austauschbar angeordnet sind, kann die Bedienperson je nach Vorliebe und eingesetztem Werkzeug besonders ergonomisch arbeiten. Ferner ist es möglich, die individuellen Griffteile fest zu installieren und neutral zu gestalten. Im letzteren Fall kann vorzugsweise per Knopfdruck zwischen mehreren realen oder virtuellen Werkzeugen und/oder verschiedenen Werkzeugfunktionen umgeschaltet bzw. gewechselt werden.
Schließlich kann in einer bevorzugten Anwendung mit dem erfindungsgemäßen Eingabegerät ein reales oder virtuelle laparoskopischen Instrument ferngesteuert werden, wobei die Griffteile denjenigen eines laparoskopischen Instrumentes nachgebildet sind.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand von fünf Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels mit zwei Dreibeinen,
Fig. 2 eine schematische Darstellung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung nach Fig. 1,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels mit zwei Dreibeinen in alternativer Konfiguration,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels mit zwei Dreibeinen in alternativer Konfiguration,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels mit nur einem Dreibein, und
Fig. 7 und 8 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels mit einem Zweibein.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Eingabegeräts mit einem feststehenden Gestell 10 und einem relativ dazu beweglichen, stabförmigen Trägerelement 30. Das Gestell 10 und das Trägerelement 30 sind über sechs unabhängige, in ihrer Länge verstellbare und gleichartig ausgeführte Linearaktuatoren 20 und 21 miteinander verbunden. Es ist zu erkennen, dass das Gestell 10 einen unteren und einen oberen Gestellring 11 und 12 aufweist. Diese sind über drei an diesen in Umfangsrichtung regelmäßig und senkrecht angeordneten Abstandshaltern 13 voneinander parallel bzw. deckungsgleich beabstandet. Die Gestellringe 11 und 12 sind jeweils mit den ersten Enden der drei Linearaktuatoren 20 und 21 über lediglich schematisch dargestellte Anlenkungen 41 und 40, von denen in Fig. 1 nur zwei sichtbar sind, in zwei rotatorischen Freiheitsgraden, wie z. B. mit Kugel- oder Kreuzgelenken, schwenkbeweglich miteinander verbunden. Es ist zu erkennen, dass die drei Anlenkungen 40 und die drei Anlenkungen 41 an den Gestellringen 11 und 12 zwei gleichseitige Dreieck bilden, die gegeneinander um 60 Grad verschwenkt sind.
Ferner ist ersichtlich, dass die drei Linearaktuatoren 20 eine erste und die drei Linearaktuatoren 21 eine zweite Dreiergruppe, jeweils in Form eines im Wesentlichen spitz zulaufenden Dreibeins mit regelmäßiger Grundfläche bilden, wobei die beiden Dreibeine einander entgegengerichtet und regelmäßig ineinander verschränkt sind. An den Konvergenzbereichen des ersten bzw. zweite Dreibeins sind die Linearaktuatoren 20 bzw. 21 mit ihren zweiten Enden über nicht näher dargestellte Vielfachanlenkungen 51 bzw. 50 mit dem unteren Ende eines Anlenkelements 33 bzw. dem unteren Ende eines Schieberelements 31 des Trägerelements 30 jeweils in zwei rotatorischen Freiheitsgraden, wie z. B. mit einem Kugel- oder Kreuzgelenk, schwenkbeweglich verbunden. Das Anlenkelement 33 ist dabei gegenüber der Vielfachanlenkung 51 bzw. den zweiten Enden der Linearaktuatoren 20 in eigener Achsrichtung bzw. Trägerelementrichtung drehfest vorgesehen, wohingegen am unteren Ende des Schieberelements 31 zusätzlich ein nicht dargestelltes Drehgelenk zwischengeschaltet ist, das es dem Schieberelement 31 ermöglicht, sich um die eigene Achse bzw. in Trägerelementrichtung gegenüber der Vielfachanlenkungen 50 bzw. den zweiten Enden der Linearaktuatoren 21 zu drehen. Das Drehgelenk, wie z. B. ein Drehkranz, ist vorzugsweise mit der Vielfachanlenkung 50 baulich kombiniert.
Der Fig. 1 ist weiterhin zu entnehmen, dass das Trägerelement 30 auch ein Führungselement 32 aufweist, das abschnittsweise im rohrförmigen Schieberelement 31 drehfest geführt und gegenüber diesem verschieblich vorgesehen ist. Zwischen dem unteren Ende des Führungselements 32 und dem oberen Ende des Anlenkelements 33 ist ein Griffdrehaktuator bzw. Schrittmotor 80, angeordnet. Dieser Schrittmotor 80 koppelt das Führungselement 32 und das Schieberelement 31 mit dem Anlenkelement 33 drehbewegbar um die Trägerelementachse.
Schließlich bildet das Schieberelement 31 und der Abschnitt des Führungselements 32, der sich außerhalb der beiden Dreibeine befindet, eine einseitig aus dem Bereich bzw. Abschnitt der Vielfachanlenkungen 50 und 51 hinausragende Verlängerung. Zugleich durchdringt die Verlängerung den oberen Gestellring 11. Einseitig an der Verlängerung bzw. am oberen Ende des Schieberelements 31 ist ein erstes Griffteil 70 und am oberen Ende des Führungselements 32 ein zweites Griffteil 71 befestigt, die ein zueinander verschiebbares Griffteilepaar bilden. Beide Griffteile weisen vom Trägerelement 30 seitlich beanstandete Greiföffnungen auf, wobei die Greiföffnung des ersten Griffteiles 70 für einen Daumen und die Greiföffnung des zweiten Griffteiles 71 für den Zeige- und Mittelfinger einer Hand einer Bedienperson vorgesehen ist.
Werden die beiden Griffteile 70 und 71 durch Handbetätigung beispielsweise zusammengedrückt, so entfernen sich die Vielfachanlenkungen 50 und 51 voneinander. Geschieht dies durch Herunterdrücken des ersten Griffteils 70 auf den zweiten Griffteil 71, ohne dass sich räumlich Position und Orientierung des zweiten dabei ändert, so wird das Führungselement 32 ein Stück weit durch das ortskonstante Schieberelement 31 verschoben und verursacht über die Vielfachanlenkung 51 eine Längen- und Orientierungsveränderung der Linearaktuatoren 20. Geschieht das Zusammendrücken Griffteile 70 und 71 durch ein Hinaufziehen des zweiten zum dabei ortsfesten ersten, so wird das Schieberelement 31 entlang des Führungselements mit der Vielfachanlenkung 50 nach oben gezogen, und infolgedessen verändern sich Länge und Orientierung der Linearaktuatoren 21 entsprechend. Erfolgt das Zusammendrücken der Griffteile 70 und 71 durch eine Absolutbewegung beider Griffteile, so werden alle sechs Linearaktuatoren 20 und 21 in Länge und Orientierung verändert. Das gleiche gilt, wenn beiden Griffteile, ohne diese zu betätigen, gemeinsam im Raum bewegt werden, wobei in diesem besonderen Fall nur die Orientierung des Trägerelements 30 verändert wird und der Abstand zwischen den Vielfachanlenkungen 50 und 51 dann konstant bleibt. Die Drehbewegbarkeit der beiden Griffteile 70 und 71 um die Trägerelementachse ist durch den Schrittmotors 80 vorgesehen. Werden beide Griffteile um diese Achse verdreht, so rotieren das Schieberelement 31 und das Führungselement 32 sowohl gegenüber der Vielfachanlenkung 50 bzw. den zweiten Enden der Linearaktuatoren 21 als auch gegenüber dem Anlenkelement 33 und der Vielfachanlenkungen 51 bzw. den zweiten Enden der Linearaktuatoren 20.
Bleibt anzumerken, dass dieses Ausführungsbeispiel mit den sechs Linearaktuatoren 20 und 21 und dem Schrittmotor 80 über sechs, d. h. drei translatorische und drei rotatorische aktive Raumfreiheitsgrade sowie über einen aktiven translatorischen Betätigungsfreiheitsgrad verfügt, wobei der Griffaktuator durch Kombination der Linearaktuatoren ersetzt und demnach nicht gesondert darstellbar ist.
In Fig. 2 ist die erste Ausführungsform gemäß Fig. 1 schematisch dargestellt. Das gemeinsame Gestell 10 ist lediglich angedeutet. Es sind jedoch alle sechs gestellseitigen Anlenkungen 40 und 41 an dem oberen Gestellring 11 und dem unteren Gestellring 12 ersichtlich. Die beiden Dreibeine der Linearaktuatoren 20 bzw. 21 befinden sich annähernd in einer symmetrischen Ausgangsstellung, wobei das Trägerelement 30 senkrecht nach oben zeigt. Den Vielfachanlenkung 50 und 51 sind jeweils die zweiten Enden der Linearaktuatoren 20 bzw. 21 gemeinsam zugeordnet. Die zentrale Achse des Trägerelements und die Achsen der Linearaktuatoren 20 bzw. 21 schneiden sich dort idealerweise jeweils in einem einzigen Punkt. Jeder der Linearaktuatoren 20 bzw. 21 ist dem jeweiligen Punkt in zwei rotatorischen Freiheitsgraden schwenkbeweglich. Schließlich ist gut erkennbar, dass das Schieberelement 31 in dem Führungselement 32 verschieblich geführt ist, und dass sowohl das Schieberelement 31 und das Führungselement 32 durch die Vielfachanlenkung 50 hindurchragen.
Fig. 3 zeigt ebenfalls die erste Ausführungsform gemäß Fig. 1, jedoch sind die Dreibeine der Linearaktuatoren 20 bzw. 21 und das Trägerelement 30 gegenüber der Stellung in Fig. 2 deutlich ausgelenkt. Es ist ersichtlich, dass die Linearaktuatoren 20 stark unterschiedliche Längen aufweisen, und dass sich die zweite Vielfachanlenkung 51 außerhalb des Dreibeinvolumens der Linearaktuatoren 21 befindet.
In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel mit zwei Dreibeinen in alternativer Konfiguration dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass der Bereich des Trägerelements 30 zwischen den beiden Vielfachanlenkungen 50 und 51 außerhalb beider Dreibeine angeordnet ist. Die Orientierung der beiden Dreibeine ist jedoch die selbe wie im ersten Ausführungsbeispiel; aufeinander zugerichtet.
In Fig. 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel mit zwei Dreibeinen in alternativer Konfiguration dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass der Bereich des Trägerelements 30 zwischen den beiden Vielfachanlenkungen 50 und 51 wiederum außerhalb beider Dreibeine angeordnet ist. Die beiden Dreibeine sind diesmal gleich orientiert; die Spitzen der Dreibeine zeigen jeweils nach oben.
Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines vierten vorteilhafte Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Eingabegeräts, wiederum mit einem feststehenden Gestell 10 und einem relativ dazu beweglichen, stabförmigen Trägerelement 30. Das Gestell 10 und das Trägerelement 30 sind jedoch nur über drei unabhängige, in ihrer Länge verstellbare und gleichartig ausgeführte Linearaktuatoren 21 miteinander verbunden. Es ist zu erkennen, dass das Gestell 10 bei diesem Ausführungsbeispiel als dreieckförmige Platte ausgeführt ist. Die unteren Enden der Linearaktuatoren 20 sind hierbei über drei lediglich schematisch dargestellten Anlenkungen 40 in zwei rotatorischen Freiheitsgraden schwenkbeweglich mit dem Gestell 10 verbunden. Die Anlenkungen 40 definieren ein gleichseitiges Dreieck.
Ferner ist ersichtlich, dass die drei Linearaktuatoren 21 eine Dreiergruppe in Form eines im Wesentlichen spitz zulaufenden Dreibeins mit regelmäßiger Grundfläche bilden. An dem Konvergenzbereich des Dreibeins sind die Linearaktuatoren 21 mit ihrem oberen Ende über eine nicht näher dargestellte Vielfachanlenkung 50 mit dem unteren Ende eines Schieberelements 31 des Trägerelement 30 jeweils in zwei rotatorischen Freiheitsgraden schwenkbeweglich verbunden. Wie in Fig. 1 ist auch hier am unteren Ende des Schieberelements 31 zusätzlich ein nicht dargestelltes Drehgelenk zwischengeschaltet, das es dem Schieberelement 31 ermöglicht, sich um die eigene Achse gegenüber der Vielfachanlekung 50 bzw. den oberen Enden der Linearaktuatoren 21 zu drehen. Das Trägerelement 30 weist wie in Fig. 1 ein Führungselement 32 auf, das abschnittsweise im rohrförmigen Schieberelement 31 drehfest geführt ist und gegenüber diesem verschieblich vorgesehen ist.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 weist das Trägerelement zusätzlich ein Zwischenelement 34 auf, wobei zwischen dem unteren Ende des Führungselements 32 und dem oberen Ende des Zwischenelements 34 ein Griffaktuator 90 mit einem translatorischem Freiheitsgrad in Trägerelementachse eingeschaltet ist. Dabei kann der Griffaktuator 90 selbst wie ein Linearaktuator ausgeführt sein, wobei dieser die Gesamtlänge des Trägerelements 30 zwischen dem Führungsteil 32 und dem Zwischenteil 34 verändert bzw. erfasst.
Zwischen dem unteren Ende des Zwischenelements 34 und dem oberen Ende eines Anlenkelements 33 ist, wie in Fig. 1, ein Schrittmotor 80 eingeschaltet. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch das untere Ende des Anlenkelements 33 über eine weitere (gestellseitige) Anlenkung 60 des Trägerelements direkt mit dem Gestell 10 in zwei rotatorischen Freiheitsgraden schwenkbeweglich verbunden. In Achsrichtung des Trägerelements ist das Anlenkelement 33 gegenüber dem Gestell 10 wiederum drehfest vorgesehen. Die Anlenkung 60 ist im Flächenschwerpunkt des gleichseitigen Dreiecks der Anlenkungen 40 angeordnet.
Wie in Fig. 1 bildet das Schieberelement 31 und der Abschnitt des Führungselements 32, der sich außerhalb des Dreibeins befindet, eine einseitig aus dem Bereich bzw. Abschnitt der Vielfachanlenkung 50 und der Anlenkung 60hinausragende Verlängerung. An der Verlängerung sind in gleicher Weise Griffteile 70 und 71 angeordnet, deren Drehbewegbarkeit zusammen mit dem Schieberelement 31 und dem Führungselement 32 gegenüber dem Anlenkelement 33 und der Vielfachanlenkung 50 bzw. den oberen Enden der Linearaktuatoren 21 wie in Fig. 1 gestaltet ist.
Werden die beiden Griffteile 70 und 71 durch Handbetätigung beispielsweise noch weiter auseinanderbetätigt bzw. geöffnet, in dem nur das zweite Griffteil 71 heruntergedrückt und das erste Griffteil 70 ortskonstant bleibt, so verschiebt sich das Schieberelement 31 entlang des Führungselements 32 nach unten und der Abstand zwischen der Vielfachanlenkung 50 und der Anlenkung 60 verkleinert sich, wobei sich sowohl die Länge des Griffaktuators 90 als auch die der Linearaktuatoren 21 entsprechend verkürzt. Hierbei ändert sich auch die Orientierung der Linearaktuatoren 21.
Geschieht das Öffnen durch Hochziehen des ersten Griffteiles 70 gegenüber zweiten Griffteil 71, ohne dass sich dabei die räumlich Position und Orientierung des zweiten und des Schieberelements 31 ändert, so wird nur das Führungselement mit nach oben gezogen, wobei der Abstand zwischen der Vielfachanlenkung 50 und der Anlenkung 60 sowie die Längen und die Orientierungen der Linearaktuatoren 21 jedoch konstant bleiben und nur die Gesamtlänge des Führungselements 32 durch den Griffaktuator 90 verlängert wird. Erfolgt das Öffnen der Griffteile 70 und 71 durch eine Absolutbewegung beider Griffteile, so werden wie im ersten Fall alle drei Linearaktuatoren 21 in Länge und Orientierung und der Griffaktuator 90 in seiner Länge verändert. Werden beide Griffteile 70 und 71, mit oder ohne deren Betätigung, gemeinsam im Raum bewegt, so verändert sich zudem die Orientierung des Trägerelements 30 zusammen mit dem Griffaktuator 90. Der Griffaktuator 90 kann deswegen auch als viertes Bein des Eingabegerätes bezeichnet werden. Die Drehbewegbarkeit ist wie im Ausführungsbeispiel in der Fig. 1 über einen Griffdrehaktuator 80 vorgesehen, wobei der Griffaktuator 90 und das Zwischenelement 34 an die Drehbewegung gekoppelt sind. Allerdings könnte die Reihenfolge von Griffaktuator und Griffdrehaktuator entlang des Trägerelements auch getauscht werden.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel verfügt mit den drei Linearaktuatoren 21, dem Griffdrehaktuator bzw. Schrittmotor 80 und dem Griffaktuator 90über drei, d. h. über einen translatorischen und zwei rotatorischen aktive Raumfreiheitsgraden sowie über einem aktiven translatorischen Betätigungsfreiheitsgrad.
Die Aktuatoren der in den Fig. 1 und 6 dargestellten Eingabegeräte sind mit einem nicht dargestellten Rechner und darüber hinaus optional mit einem motorisierten Werkzeug verbindbar.
Schließlich zeigen die Fig. 7 und 8 eine fünfte Ausführungsform eines Eingabegerätes mit einem Zweibein. Ein Gestell 10 weist einen oberen Gestellring 11 auf, an dem zwei gestellseitige Anlenkungen 40 vorgesehen sind. An einem Trägerelement 30 sind eine erste Vielfachanlenkung 50 und eine weitere (gestellseitige) Anlenkung 60 vorgesehen. Das Gestell 10 und das Trägerelement 30 sind über zwei kraftsensitive Linearaktuatoren 21 beweglich miteinander verbunden, wobei die Linearaktuatoren jeweils zwischen den Anlenkungen 40 und der Vielfachanlenkung 50, ein Zweibein bildend eingeschaltet sind. An der Anlenkung 40 ist ein zusätzlicher kraftsensitiver Linearaktuator 21' angeordnet, der die Funktion des dritten Linearaktuators im vierten Ausführungsbeispiel übernimmt. Bezugszeichenliste 10 Gestell
11 oberer Gestellring
12 unterer Gestellring
13 Abstandshalter
20 Linearaktuator des ersten Dreibeins
21 Linearaktuator des zweiten Dreibeins
30 Trägerelement
31 Schieberelement
32 Führungselement
33 Anlenkelement
34 Zwischenelement
40 gestellseitige Anlenkung zum zweiten Dreibein
41 gestellseitige Anlenkung zum ersten Dreibein
50 erste Vielfachanlenkung am Trägerelement
51 zweite Vielfachanlenkung am Trägerelement
60 weitere (gestellseitige) Anlenkung des Trägerelements
70 erstes Griffteil
71 zweites Griffteil
80 Griffdrehaktuator, Schrittmotor
90 Griffaktuator

Claims

1. Eingabegerät nach parallelkinematischem Prinzip und mit haptischer Rückkopplung für einen Rechner, insbesondere zur medizinischen Teleoperation mit Instrumenten,
mit einem Gestell (10), das drei Anlenkungen (40) aufweist,
mit einem stabförmigen Trägerelement (30), das eine Vielfachanlenkung (50) und eine weitere Anlenkung (51; 60) aufweist,
wobei das Trägerelement (30) über drei kraftsensitive Linearaktuatoren (21) mit dem Gestell (10) beweglich gekoppelt ist, welche jeweils an der Vielfachanlenkung (50) und an den Anlenkungen (40) des Gestells (10), ein Dreibein bildend angreifen, und
wobei das stabförmige Trägerelement (30) zudem mit dem Gestell (10) auch über die weitere Anlenkung (51; 60) beweglich gekoppelt ist, und mit einem am Trägerelement angeordneten Griffteil (70),
dadurch gekennzeichnet,
dass das Trägerelement (30) ein weiteres Griffteil (71) aufweist, das zum ersten Griffteil (70) beweglich ist,
dass ein kraftsensitiver Griffaktuator (20, 21; 90) vorgesehen ist, und
dass wenigstens eines der Griffteile (70, 71) mit dem kraftsensitiven Griffaktuator (20, 21; 90) gekoppelt ist.

2. Eingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gestell (10) drei weitere Anlenkungen (41) aufweist,
dass die weitere Anlenkung des Trägerelements (30) eine zweite Vielfachanlenkung (51) ist,
dass drei weitere kraftsensitive Linearaktuatoren (20) vorgesehen sind, die jeweils an der zweiten Vielfachanlenkung (51) und an den weiteren Anlenkungen (41) des Gestells (10), ein zweites Dreibein bildend angreifen, dass die erste Vielfachanlenkung (50) relativ zur zweiten Vielfachanlenkung (51) beweglich ist,
dass die beiden Dreibeine den ersten Griffaktuator (20, 21) bilden, und
dass die beiden Griffteile (70, 71) je einem Dreibein zugeordnet ist.

3. Eingabegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zwischen den beiden Vielfachanlenkungen (50, 51) befindliche Abschnitt des Trägerelements (30) außerhalb beider Dreibeine oder außerhalb des einen und innerhalb des anderen Dreibeins oder innerhalb beider Dreibeine angeordnet ist.

4. Eingabegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen gestellseitigen Anlenkungen (40, 41) der beiden Dreibeine jeweils eine Gestellebene aufspannen.

5. Eingabegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen gestellseitigen Anlenkungen (40, 41) der beiden Dreibeine die Eckpunkte zweier gleichseitiger Dreiecke sind.

6. Eingabegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichseitigen Dreiecke parallel zueinander beabstandet sind, die Verbindungsgerade der Dreiecksschwerpunkte zu den Dreiecken senkrecht steht und die beiden Dreiecke um die Verbindungsgerade um einen sechstel Vollkreis gegeneinander verschwenkt sind.

7. Eingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gestell zwei weitere Anlenkungen aufweist,
dass die weitere Anlenkung des Trägerelements eine zweite Vielfachanlenkung ist,
dass zwei weitere kraftsensitive Linearaktuatoren vorgesehen sind, die jeweils an der zweiten Vielfachanlenkung und an den weiteren Anlenkungen des Gestells, ein Zweibein bildend angreifen, und
dass die erste Vielfachanlenkung zur zweiten Vielfachanlenkung einen konstanten Abstand aufweist.

8. Eingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (30) über deren weitere Anlenkung (60) direkt mit dem Gestell (10) gekoppelt ist, und dass die Vielfachanlenkung (50) relativ zu der weiteren Anlenkung (60) beweglich ist.

9. Eingabegeräte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dreibein und dem Griffaktuator (90) je eines der Griffteile (70, 71) zugeordnet ist.

10. Eingabegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gestellseitigen Anlenkungen (40) und die weitere Anlenkung (60) in einer Gestellebene liegen.

11. Eingabegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gestellseitigen Anlenkungen (40) die Eckpunkte eines gleichseitiges Dreieck sind, und die weitere Anlenkung (60) im Schwerpunkt des Dreiecks liegt.

12. Eingabegerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Griffteile (70, 71) um das Trägerelement (30) drehbeweglich angeordnet sind und dass ein kraftsensitiver Griffdrehaktuator (80) vorgesehen ist, über den mindestens eines der Griffteile (70,71) mit dem Trägerelement (30) gekoppelt ist.

13. Eingabegerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (30) mindestens dreiteilig ist, wobei zwei der Teile (31, 32) in der Vielfachanlenkung (50) drehbeweglich sind, und über einen kraftsensitiven Griffdrehaktuator mit einem dritten Teil (33) gekoppelt sind.

14. Eingabegerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (30) in seiner Achsrichtung nur eine Verlängerung oder zwei sich gegenüberliegende Verlängerungen aufweist, die über den Abstand zwischen der Vielfachanlenkung (50) und der weiteren Anlenkung (51, 60) hinausragt, und dass die nur eine Verlängerung beide Griffteile (70, 71) oder die zwei Verlängerungen je eines der beiden Griffteil (70, 71) aufweisen.

15. Eingabegerät nach mindestens einem der Ansprüche 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (30) durch mindestens eine Gestellebene hindurchreicht.

16. Eingabegerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der beiden Griffteile (70, 71) mindestens eine Greiföffnung aufweist.

17. Eingabegerät nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der beiden Griffteile (70, 71) gegen ein anderes austauschbar ist.

18. Eingabegerät nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Griffteile (70,71) denjenigen eines laparoskopischen Instrumentes nachgebildet sind und dass das Eingabegerät zur Fernbedienung eines realen oder virtuellen laparoskopischen Instrumentes verwendbar ist.