DE112011104411T5

DE112011104411T5 - Tragbare, autonome Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung in der Chirurgie, zur Manipulation von Mikrobauteilen und Ähnlichem

Info

Publication number: DE112011104411T5
Application number: DE112011104411T
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-09-26
Also published as: US9585682B2; ES2384853B1; US20140371761A1; ES2384853A1; WO2012080543A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine tragbare, autonome Vorrichtung (1), die insbesondere zur Verwendung in der Chirurgie, zur Manipulation von Mikrobauteilen und Ähnlichem geeignet ist. Das Gerät besteht aus einem Mikrowerkzeug, das in einem Hauptgehäuse (3); abnehmbar befestigt werden kann, und aus mit Servomotoren verbundenen Betätigungsmitteln zur Manipulation des Mikrowerkzeugs (2). Die vorgenannten Betätigungsmittel umfassen einen ersten mit einem ersten Servomotor (4) verbundenen Aktor, der dem Mikrowerkzeug (2) einen Drehfreiheitsgrad ermöglicht; einen zweiten Aktor, der mit einem zweiten Servomotor verbunden und an den ersten Aktor angeschlossen ist, um das Mikrowerkzeug vorwärts und rückwärts zu verschieben; und einen dritten mit einem dritten Servomotor verbundenen Aktor (6), der das Mikrowerkzeug um die Längsachse des ersten und des zweiten Aktors schwenkt. Der erste, zweite und dritte Aktor sind zur Bestimmung der räumlichen Lage des Mikrowerkzeugs mit einer Steuereinheit (7) verbunden.

Description

GEGENSTAND DER ERFINDUNG
Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung ist eine tragbare, autonome Vorrichtung, die bemerkenswerte Neuheiten und Vorteile aufweist.
Genauer gesagt wird erfindungsgemäß die Weiterbildung einer tragbaren, autonomen Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung in der Chirurgie, zur Manipulation von Mikrobauteilen und Ähnlichem der Art vorgeschlagen, die ein in einem Hauptgehäuse abnehmbar befestigtes Mikrowerkzeug sowie mit Servomotoren verbundene Betätigungsmittel zur Manipulation dieses Arbeitswerkzeuges umfasst, wodurch eine einfache Bedienung und eine große Bewegungsfreiheit des Mikrowerkzeugs während seiner Verwendung ermöglicht wird. Die Tatsache, dass es abnehmbar ist, erleichtert die Reinigung und Sterilisation.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wohl bekannt sind im Stand der Technik Roboterarme, an deren freiem Ende ein Arbeitswerkzeug angebracht ist, das die Handhabung von Gegenständen oder Teilen mit reduzierten Abmessungen zur Schaffung von Einheiten oder Vorrichtungen erlaubt, Roboter dieser Art haben jedoch einen festen Bezugspunkt oder eine feste Basis, wodurch ihre Verwendung an den Ort gebunden ist, an dem dieser Roboterarm aufgestellt ist.
Der Anmelderin ist keine bestehende Erfindung bekannt, die über alle in dieser Beschreibung erwähnten Merkmale verfügt und mit der man die Präzisionsarbeit eines Roboterarms auf ein vom Nutzer von Hand zu bedienendes Instrument anwenden kann.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde mit dem Zweck weitergebildet, eine tragbare, autonome Vorrichtung bereitzustellen, mit der die zuvor genannten Nachteile gelöst werden und die darüber hinaus weitere, zusätzliche Vorteile bringt, die aus der nachstehenden Beschreibung deutlich hervorgehen.
Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine tragbare, autonome Vorrichtung bereitzustellen, die insbesondere in der Chirurgie verwendet wird, der Art die ein Mikrowerkzeug, das abnehmbar am Hauptgehäuse befestigt ist, sowie Betätigungsmittel zur Manipulation des mit den Servomotoren verbundenen Arbeitswerkzeuges umfasst, wodurch der Bediener oder Nutzer während ihrer Verwendung auf einfache und vollkommen eigenständige Art und Weise, mit hoher Präzision hinsichtlich der räumlichen Lage der elektronischen Vorrichtung dieser Erfindung arbeiten kann. Die Handhabung dieser Vorrichtung kann genauso sein als würden Sie eine Schreibutensilie in der Hand halten.
Diese Vorrichtung kann besonders nützlich sein wenn sie in der Mikrochirurgie, der Mikromontage, der Herstellung von Zahnapplikationen oder der Mikromanipulation biologischer Strukturen verwendet wird.
Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine tragbare, autonome Vorrichtung insbesondere zur Verwendung in der Chirurgie bereitzustellen, die ein Mikrowerkzeug, das abnehmbar am Hauptgehäuse befestigt ist, sowie Betätigungsmittel zur Manipulation dieses mit den Servomotoren verbundenen Arbeitswerkzeuges umfasst, so dass der Bediener oder Nutzer während ihrer Verwendung auf einfache Weise und mit hoher Präzision hinsichtlich der räumlichen Lage arbeiten kann.
Genauer gesagt umfassen die Betätigungsmittel einen ersten mit einem ersten Servomotor verbundenen Aktor, der dem Mikrowerkzeug einen Drehfreiheitsgrad gegenüber der aus dem ersten Servomotor hervorstehenden Welle ermöglicht; einen zweiten Aktor, der mit einem zweiten Servomotor verbunden und an den ersten Aktor angeschlossen ist, um das Mikro-Arbeitswerkzeug vorwärts und rückwärts zu verschieben; und einen dritten mit einem dritten Servomotor verbundenen Aktor, der in der Lage ist eine Schwenkbewegung des Mikrowerkzeuges um die Längsachse des ersten und des zweiten Aktors durchzuführen; wobei der erste, zweite und dritte Aktor zur Bestimmung der räumlichen Lage des Mikrowerkzeugs mit einer im Hauptgehäuse untergebrachten Steuereinheit verbunden sind; und bei der die Betätigungsmittel eine autonome Stromversorgung durch wenigstens eine Batterie aufweisen.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann die Steuereinheit einen mit dem Mikroprozessor verbundenen, hygroskopischen Sensor aufweisen, mit dem die Lage des Mikrowerkzeuges im dreidimensionalen Koordinatensystem stabilisiert werden kann, so dass die geringste nicht erwünschte Bewegung oder ein Zittern der Hand des Benutzers bei der Durchführung einer manuellen Arbeit mit der Vorrichtung gedämpft oder beseitigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Steuereinheit einen mit dem Mikroprozessor verbundenen Bewegungssensor zum Ermitteln der Lage und der Beschleunigung in den drei Koordinatenachsen. Damit soll vermieden werden, dass der Benutzer die Vorrichtung aus der Hand geben muss um verschiedene Aktionen durchführen oder zu befehlen. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Genauigkeit in einer räumlich definierten Lage positioniert und dies unendlich oft wiederholt werden, wobei Grenzbereiche definiert werden können in denen der Benutzer das Mikrowerkzeug über ein Display oder durch akustische oder Sprachanweisungen in die korrekte räumliche Lage bringen kann.
Nach einem weiteren Merkmal kann die Steuereinheit eine Steuerung durch Spracherkennung oder sogar durch Bewegungen des Handgelenks beinhalten, um Befehle in den Mikroprozessor einzugeben.
Vorteilhafterweise kann der Mikroprozessor der Steuereinheit eine Arithmetik/Logik-Einheit beinhalten, die in der Lage ist in Echtzeit die Positionierungs-Korrekturwerte zu ermitteln, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf die räumliche Lage des Mikrowerkzeuges anzuwenden sind.
Weitere besondere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den beiliegenden Unteransprüchen dargestellt.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen tragbaren, autonomen Vorrichtung gehen deutlich aus der Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsform hervor, die beispielhaft, aber nicht einschränkend in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Diese zeigen in:
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1: Eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen tragbaren, autonomen Vorrichtung;
2: Eine perspektivische Detaildarstellung der in der erfindungsgemäßen tragbaren Vorrichtung vorgesehenen Betätigungsmittel;
3: Eine perspektivische Darstellung der tragbaren Vorrichtung mit dem Mikrowerkzeug, bei der das Hauptgehäuse entfernt wurde;
4: Eine perspektivische Detaildarstellung eines der mit dem Werkzeughalter und dem Verbindungselement verbundenen Gelenke;
5: Eine perspektivische Darstellung der tragbaren Vorrichtung mit dem Mikrowerkzeug, bei der das Hauptgehäuse und die Steuereinheit entfernt wurden;
6A–6F: Zeigen Seitenansichten von verschiedenen Ausführungsformen des Mikrowerkzeuges;
7: Eine schematische Draufsicht auf die Steuereinheit, welche die erfindungsgemäße Vorrichtung steuert;
8: Eine schematische Ansicht von unten der Steuereinheit;
9A und 9B: Eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf das Innere der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der zum leichteren Verständnis einige Elemente entfernt wurden;
10: Eine perspektivische Darstellung des Abschnitts in dem das Mikrowerkzeug in einer Position mit geöffnetem Greifer aufgenommen ist;
11: Eine perspektivische Darstellung des Abschnitts in dem das Mikrowerkzeug, das sich in einer geneigten Position befindet, aufgenommen ist; und
12: Eine perspektivische Darstellung der mit einem Schutzdeckel versehenen, tragbaren Vorrichtung:
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie in den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist, ist eine tragbare, autonome Vorrichtung, die nach einer Ausführung der Erfindung generell mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist, besonders für den Bereich der Chirurgie und der Manipulation von Mikroteilen geeignet, umfasst im Wesentlichen ein Mikrowerkzeug 2, das abnehmbar in einem Hauptgehäuse 3 befestigt ist, welches von einem weitgehend zylinderförmigen und unten hohlen Griffkörper sowie Betätigungsmitteln zur Manipulation des mit einer Reihe von nachstehend beschriebenen Servomotoren verbundenen Arbeitswerkzeuges gebildet wird.
Die Betätigungsmittel umfassen einen ersten mit einem ersten Servomotor 4 verbundenen Aktor, der dem Mikrowerkzeug 2 einen Drehfreiheitsgrad gegenüber der aus dem ersten Servomotor 4 hervorstehenden, mittig gelegenen Längsachse 5 ermöglicht, einen zweiten Aktor, der wenigstens mit einem zweiten Servomotor 36 verbunden und an den ersten Aktor angeschlossen ist, um das Mikrowerkzeug 2 vorwärts und rückwärts zu verschieben, und einen dritten mit einem dritten Servomotor 6 verbundenen Aktor, der die Durchführung einer Schwenkbewegung des Mikrowerkzeuges 2 um die Längsachse 5 des ersten und des zweiten Aktors erlaubt. In 2 sind die verschiedenen von den die Betätigungsmittel und das Mikrowerkzeug 2 darstellenden beweglichen Teile ausgeführten Bewegungen durch Pfeile dargestellt.
Der erste, zweite und dritte Aktor sind mit einer generell mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichneten Steuereinheit verbunden, die im Hauptgehäuse 3 aufgenommen ist und die räumliche Lage des Mikrowerkzeuges bestimmen kann.
Die Betätigungsmittel weisen eine autonome Stromversorgung durch zwei am äußeren Ende des Hauptgehäuses 3 in Reihe geschaltete Batterien 8 auf. Um zu wissen, ob die Vorrichtung ein- oder ausgeschaltet ist, wird eine LED-Lichtquelle 9 bereitgestellt, die sich ebenfalls in der Nähe des hinteren Endes des Hauptgehäuses 3 befindet.
Der zweite vorgenannte Aktor umfasst drei teleskopartig untereinander ausziehbare rohrförmige Körper 10, 11 und 12 durch deren Inneres die genannte Achse 5 des ersten Aktors verläuft, wobei jeder rohrförmige Körper mit einem eigenständigen Servomotor verbunden ist und Führungsmittel bereitgestellt werden, welche die Drehbewegung des Mikrowerkzeuges 2 erleichtern.
Das Mikrowerkzeug 2 ist mit einem Verbindungselement 13 verbunden, das weitgehend die Form eines auf der Achse 5 des ersten Aktors befestigten Parallelepipeds aufweist.
Die Führungsmittel bestehen insbesondere aus Auskehlungen 14, die in einem Bereich nahe dem Außenrand jedes der einzelnen rohrförmigen Körper 10, 11, 12 vorgesehen sind, in welche die am Verbindungselement 13 vorhandenen Führungsabschnitte eingreifen, die entlang des gesamten Durchmessers der rohrförmigen Körper in einem unbegrenzten Drehwinkel bewegt werden können, da keine die Drehfähigkeit einschränkenden Kabel oder Verbindungsstücke vorhanden sind.
Wie in 2 deutlicher zu erkennen ist, bestehen die Führungsabschnitte aus vorstehenden L-förmigen Elementen 15, die sich unterhalb von am Verbindungselement 13 vorhandenen hohlen Verlängerungen 16 erstrecken und deren Enden in die jeweiligen Auskehlungen 14 eingreifen.
Der dritte Aktor umfasst zwei Gelenke 18, die an einem Ende mit dem Verbindungselement 13 verbunden sind und am entgegengesetzten Ende mit dem Mikrowerkzeug 2 in Verbindung stehen. Diese Gelenke 18 sind in der 4 genauer dargestellt, in der man die Anordnung von zwei Gelenksendstücken 32, die durch Stifte 33 befestigt und zwischen denen Scheiben 34 angeordnet sind, erkennen kann. Außerdem kann jedes der Gelenke 18 aufgrund des Vorhandenseins von ausziehbaren Schienen 35, die über das Verbindungselement 13 hinausragen, in Längsrichtung entlang der Achse der Vorrichtung verschoben werden, wobei diese ausziehbaren Schienen 35 eine Verlängerung der L-förmigen Elemente 15 darstellen.
Die Gelenke 18 werden aufgrund ihrer geringen Größe durch lithographische Techniken hergestellt, wobei man die verschiedenen Teile durch zahlreiche flache Schichten erhält. Auf diese Weise vermeidet man Gelenke mit abrupten Sprüngen oder kugelförmigen bzw. gebogenen Oberflächen, und erzielt eine lineare und geschmeidige Bewegung.
Genauer gesagt, steht das Gelenkspaar 18 mit dem Mikrowerkzeug 2 über den Werkzeughalter 19, der Befestigungsmittel zur Befestigung des Mikrowerkzeuges aufweist, in Verbindung, wobei diese Befestigungsmittel aus einer Bohrung bestehen, durch die eine Schraube 40 durchgeführt wird, weshalb der Austausch des Mikrowerkzeuges einfach und rasch zu bewerkstelligen ist.
Dank dieser Bauweise können die über das Verbindungselement 13 (einschließlich seiner Achse 5) direkt mit dem Mikrowerkzeug 2 verbundenen Bauteile rasch und einfach gemeinsam aus der übrigen Vorrichtung 1 entnommen werden, und zwar durch das Vorhandensein von Schrauben 38, die mit der Achse 5 und dem Verbindungselement 13 derart in Verbindung stehen, dass das Mikrowerkzeug 2 für chirurgische Arbeiten oder solche, die eine Sterilisation benötigen, sterilisiert werden kann.
Die in den 7 und 8 dargestellte Steuereinheit 7 weist nun eine rechteckige Trägerplatte 21 auf, die im Inneren des Hauptgehäuses 3 befestigt ist.
Die Steuereinheit 7 weist einen Mikroprozessor 22 auf, der mit einem programmierbaren Speicher einer dazugehörigen Software ausgestattet ist, die über ein umfangreiches Variablen-Menü verfügt um sich den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Der Mikroprozessor 22 kann mit einer Steuerung durch Spracherkennung und einem aus einem schnurlosen Kommunikationssystem wie etwa Bluetooth oder Wi-Fi bestehenden Kommunikationsmodul 31 ausgestattet werden, mit dem er mit anderen vernetzten Geräten kommunizieren kann. Weiter ist die Möglichkeit der Sprachbefehl-Erkennung vorgesehen.
Der Mikroprozessor 22 ist in der Lage Handlungen durch die Bewegungen des Handgelenks zu erkennen, wobei nach dem Willen des Benutzers durch kombinierte Bewegungshandlungen der Vorrichtung selbst Handlungen programmiert werden können.
Die Steuereinheit 7 beinhaltet einen mit dem Mikroprozessor 22 in Verbindung stehenden Bewegungssensor 23 zum Ermitteln der Lage und der Beschleunigung in den drei Koordinatenachsen.
Die Steuereinheit 7 beinhaltet einen mit dem Mikroprozessor 22 in Verbindung stehenden gyroskopischen Sensor 24 zur Stabilisierung der Lage des Mikrowerkzeuges im den drei Koordinatenachsen X, Y und Z, so dass das Zittern der Hand des Benutzers korrigiert werden kann.
Zusätzlich beinhaltet die Steuereinheit 7 einen mit dem Mikroprozessor 22 in Verbindung stehenden Erdmagnetfeldsensor 25, so dass die Vorrichtung in der Lage ist mit hoher Präzision zu erkennen, in welcher räumlichen Lage und Ausrichtung sich die tragbare, autonome Vorrichtung zu jeder Zeit gegenüber dem Erdmagnetfeld befindet, und die optimale Lage des Mikrowerkzeuges 2 zu bestimmen, sowie auch einen externen Anschluss zur Ankopplung einer externen elektronischen Vorrichtung wie etwa ein USB-Port 17.
Die Betätigungsmittel umfassen außerdem zwei Drucktasten 26, die auf zwei entgegengesetzten Enden der Außenseite des Hauptgehäuses 3 liegen, wobei diese Drucktasten 26 der Art sind, die mit einem Berührungsdruck-Sensor ausgestattet sind, mit dem die Befehle an die Steuereinheit 7 übermittelt werden können.
Bei der hier dargestellten Ausführung besteht das Mikrowerkzeug 2 aus einem mit zwei einander gegenüber liegenden Greifelementen 27 ausgestatteten Greifer, wobei jedes der Greifelemente 27 mit dem jeweiligen Gelenk 18 des dritten Aktors in Verbindung steht. Vorteilhafterweise steht jedes der Greifelemente 27 mit einem entsprechenden sekundären Servomotor 39, 42 in Verbindung (siehe 5, 9A und 9B), um mit jedem Greifelement 27 voneinander unabhängige Bewegungen durchführen zu können, wobei die sekundären Servomotoren 39 und 42 unabhängig vom ersten, zweiten und dritten Aktor arbeiten. Auf diese Weise kann jedes der Greifelemente in einer Position mit maximaler Neigung gehalten werden, so dass nur das andere Greifelement zum Öffnen und Schließen des Greifers tätig wird, wobei die Entfernung zwischen den Greifelementen beispielsweise völlig automatisch und im Vorhinein festgelegt wird und die Größenparameter visualisiert werden können.
In den 6A bis 6F sind andere Ausbildungen oder Ausgestaltungen zu sehen, die Greifelemente je nach Bedarf und Endzweck der erfindungsgemäßen tragbaren Vorrichtung aufweisen können.
Zusätzlich kann eine Reihe von Miniatur-Kraftsensoren 37 vorgesehen sein, insbesondere vier, auf den Sockeln der jeweiligen piezoelektrischen Servomotoren, derart, dass die Kraft und der mechanische Widerstand, den der mit dem Mikrowerkzeug festzuhaltende oder handzuhabende Gegenstand bietet, mit Präzision ermittelt werden kann. So kann die Steuereinheit 7 einen eventuellen Verlust des (nicht dargestellten) festgehaltenen Teils feststellen und dementsprechend eine Korrektur hinsichtlich Kraftaufwand und Position zur Wiederherstellung des Gegenstandes durchführen. Der Benutzer kann die Art der durchzuführenden Arbeit festlegen und den Bereich der maximal anzuwendenden Kraft ändern, indem er jederzeit die aufgebrachte Kraft korrigieren kann, ein Aspekt der bei der Manipulation von besonders heiklen Gegenständen oder Organismen von größter Wichtigkeit ist.
Ein weiterer nennenswerter Aspekt ist die Tatsache, dass der Mikroprozessor 22 in der Lage ist, das Vorhandensein eines oder mehrerer nahegelegener Geräte automatisch festzustellen, um zusammen oder im Netz zu arbeiten, wodurch die Einheiten der Vorrichtung mit gemeinsam definierten Einstellungen arbeiten können und zur Durchführung synchronisierter Handlungen Routinen synchronisiert werden. Diese Funktion kann besonders wichtig sein, wenn man mit einem Gerät in jeder Hand arbeitet, etwa in der Chirurgie wo der Chirurg in koordinierter Weise synchronisierte Arbeiten durchführen kann.
Die vorgenannten Servomotoren der Aktore sind auf einer Struktur 28 befestigt, die aus ineinander verschränkten rohrförmigen Elementen gebildet wird und aus dem Hauptgehäuse 3 herausragt. Wie zu sehen ist, sind die rohrförmigen Elemente der Struktur 28 an den entsprechenden rohrförmigen Körpern durch diametral vorstehende Erweiterungen 29 befestigt. Insbesondere weist diese Struktur 28 eine Reihe von rohrförmigen Elementen auf, die jeweils mit je einem rohrförmigen Körper 10, 11 und 12 fest verbunden sind.
Darüber hinaus enthält das Hauptgehäuse 3 ein Display 30, an dem die Daten der mit der Steuereinheit 7 geregelten Parameter wie etwa die horizontale bzw. vertikale Orientierung oder der Neigungsgrad einfach abgelesen werden können, und einen auf der Vorderseite des Hauptgehäuses 3 gelegenen Touchscreen-Joystick 20 zur Steuerung und Navigation im Menü des Positionierungsdisplays.
Die Vorrichtung ist in der Lage eine Position und einen konkreten Punkt im Raum zu speichern, dessen Parameter, die man durch den zuvor genannten gyroskopischen Sensor, den Bewegungs- und den Erdmagnetfeldsensor erhält, in dem im Mikroprozessor vorgesehenen Speicher abgespeichert werden. Die so generierten Daten erhalten einen Punkt auf der X-, Y- und Z-Koordinate sowie eine horizontale und eine vertikale Neigung sowie die Rotation in Echtzeit.
Da der Mikroprozessor 22 über ein internes Rechenwerk verfügt, kann er jederzeit mathematisch und durch Routinemittel in seinem internen Programm herausfinden, welche Variablen nötig sind um zurückzugehen und die erste gespeicherte Position als Bezugspunkt zu finden. Die grafische Darstellung der räumlichen Lage und der Lage gegenüber der horizontalen und vertikalen Achse sowie der Rotation der Vorrichtung erfolgt auf dem bestehenden Display mittels einer für den Mikroprozessor programmierten Routine bei der dieser aus den digitalen Daten und den analogen Werten der Sensoren in Echtzeit erkennt, und so Grafiken generiert, die zuvor in der Steuereinheit 7 abgespeichert worden sind.
Auch wenn es bei der Ausführung nicht beschrieben wurde, ist klar, dass die Steuereinheit und die Servomotoren elektronische Bauteile, elektronische Positionsencoder etc. sowie die für das korrekte Funktionieren der Betätigungsmittel notwendigen Schaltungen enthalten, die zur Erleichterung des Verständnisses der Funktionsweise der tragbaren, autonomen Vorrichtung nicht dargestellt wurden.
Wie zuvor unter Bezugnahme auf die Kraftsensoren dargelegt wurde, enthält jeder der Aktoren, der erste, der zweite und der dritte eine Vorrichtung zur Ermittlung des Widerstands, um die vom Mikrowerkzeug aufgebrachte Kraft zu steuern, welche aus einer dünnwandigen Folie besteht auf der ein Kraft- oder Druckwert in einen Widerstandswert umgewandelt wird. Dieser Wert wird mit Hilfe eines internen Wandlers in einen digitalen Wert verwandelt mit dem man exakt die Kraft und den mechanischen Widerstand erkennen kann, den der festzuhaltende Gegenstand leistet, womit der Mikroprozessor die höchste und geringste Kraft, die bei jeder Handlung aufgebracht werden muss, steuern kann. Dadurch kann der Mikroprozessor ein eventuelles Herunterfallen des festgehaltenen Teils feststellen und dementsprechend eine Korrektur hinsichtlich Kraftaufwand und Position zur Wiederherstellung des zu manipulierenden Gegenstandes durchführen. Der Benutzer kann die Art der durchzuführenden Arbeit festlegen und den Bereich der höchstens oder mindestens aufzubringenden Kraft ändern, ein Aspekt der bei der Manipulation von heiklen Gegenständen oder Organismen sehr wichtig ist, und der Mikroprozessor könnte jederzeit die aufgebrachte Kraft durch eine Rechendifferenz zwischen den beiden Hälften des Mikrowerkzeuges in Form einer geschlossenen Schlaufe korrigieren, womit die Korrektur der aufzubringenden Kraft durch Änderung der Impulse in Echtzeit erfolgen kann, abhängig von jener die in einer sich schließenden Einheit gemessen wird und indem man die auf der anderen Seite, in diesem Fall dem Empfänger, abgenommenen Kraft oder Widerstandsmenge auf dem Monitor überwacht, die Intensität ändert und, sofern notwendig, den gesamten Zyklus umkehrt.
Zusätzlich kann eine elektromagnetische Vorrichtung mit reduzierten Abmessungen bereitgestellt werden, mit der das Mikrowerkzeug mit einem durch den Benutzer einstellbaren Wert mit positivem oder negativem Vorzeichen polarisiert werden kann (sollte es sich um ein metallisches Material handeln) um so die Fixierung von besonders heiklen Teilen zu erleichtern.
Abschließend und unter Bezugnahme auf die 12, sei gesagt, dass die tragbare Vorrichtung einen Schutzdeckel 41 mit einer vorzugsweise zylindrischen Form aufweist, der auf dem Hauptgehäuse 3 einrastet, so dass er die aus dem Hauptgehäuse 3 hervorstehenden Betätigungsmittel und das Mikrowerkzeug selbst 2 abdeckt.
Einzelheiten, Formen, Abmessungen und sonstiges Zubehör, sowie die zur Herstellung der erfindungsgemäßen tragbaren Vorrichtung verwendeten Materialien können in angemessener Weise durch andere, technisch gleichwertige ersetzt werden, ohne das Wesen der Erfindung, noch den durch die nachstehend angegebenen Patentansprüche definierten Rahmen zu verlassen.

Claims

Tragbare, autonome Vorrichtung (1), insbesondere zur Verwendung in der Chirurgie, zur Manipulation. von Mikrobauteilen und Ähnlichem, die ein in einem Hauptgehäuse (3) abnehmbar befestigtes Mikrowerkzeug (2) sowie mit Servomotoren verbundene Betätigungsmittel zur Manipulation des Arbeitswerkzeuges (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass: die Betätigungsmittel einen ersten mit einem ersten Servomotor (4) verbundenen Aktor, der dem Mikrowerkzeug (2) einen Drehfreiheitsgrad gegenüber der aus dem ersten Servomotor (4) hervorstehenden Achse (5) ermöglicht; einen zweiten Aktor, der mit wenigstens einem zweiten Servomotor (36) verbunden und an den ersten Aktor angeschlossen ist, um das Mikrowerkzeug vorwärts und rückwärts zu verschieben, und einen dritten mit einem dritten Servomotor verbundenen Aktor (6), der in der Lage ist eine Schwenkbewegung des Mikrowerkzeuges (2) um die Längsachse des ersten und des zweiten Aktors durchzuführen, umfasst; wobei der erste, zweite und dritte Aktor mit einer im Hauptgehäuse (3) aufgenommenen Steuereinheit (7) verbunden sind, die in der Lage ist die räumlichen Lage des Mikrowerkzeugs (2) zu bestimmen; und bei der die Betätigungsmittel eine autonome Stromversorgung durch wenigstens eine Batterie (8) aufweisen.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aktor teleskopartig untereinander ausziehbare rohrförmige Körper aufweist, durch deren Inneres die Achse (5) des ersten Aktors verläuft, wobei jeder rohrförmige Körper mit einem eigenständigen Servomotor verbunden ist und Führungsmittel bereitgestellt werden, welche die Drehbewegung des Mikrowerkzeuges (2) erleichtern.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowerkzeug (2) mit einem Verbindungselement (13) verbunden ist, das auf der Achse (5) des ersten Aktors befestigt ist.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel insbesondere aus Auskehlungen (14) bestehen, die an jedem der rohrförmigen Körper (10, 11, 12) vorgesehen sind, in welche die am Verbindungselement (13) vorhandenen Führungsabschnitte eingreifen, die entlang des gesamten Durchmessers der rohrförmigen Körper bewegt werden können.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsabschnitte aus L-förmigen Elementen (15) bestehen, deren Enden in die jeweiligen Auskehlungen (14) eingreifen.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Aktor zwei Gelenke (18) umfasst, die an einem Ende mit dem Verbindungselement (13) verbunden sind und am entgegengesetzten Ende mit dem Mikrowerkzeug (2) in Verbindung stehen.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkspaar (18) mit dem Mikrowerkzeug (2) über den Werkzeughalter, der Befestigungsmittel zur Befestigung des Mikrowerkzeuges (2) aufweist, in Verbindung steht.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel aus einer Bohrung bestehen, durch die eine Schraube hindurchgeführt wird.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) eine Trägerplatte (21) aufweist, die im Inneren des Hauptgehäuses (3) befestigt ist.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen Mikroprozessor (22) aufweist, der mit einem programmierbaren Speicher und einer dazugehörigen Elektronik ausgestattet ist.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen mit dem Mikroprozessor (22) in Verbindung stehenden Bewegungssensor (23) zum Ermitteln der Lage und der Beschleunigung in den drei Koordinatenachsen enthält.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen mit dem Mikroprozessor (22) in Verbindung stehenden gyroskopischen Sensor zur Stabilisierung der Lage des Mikrowerkzeuges (2) im den drei Koordinatenachsen X, Y und Z enthält.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) zur Ermittlung der räumlichen Lage in Echtzeit einen mit dem Mikroprozessor (22) in Verbindung stehenden Erdmagnetfeldsensor (25) in den drei Koordinatenachsen X, Y und Z enthält.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen externen Anschluss zur Ankopplung einer externen elektronischen Vorrichtung aufweist.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsmittel wenigstens eine auf der Außenseite des Hauptgehäuses liegende Drucktaste (26) aufweisen.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucktaste (26) der Art ist, die mit einem Berührungsdruck-Sensor ausgestattet ist.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowerkzeug (2) aus einem mit zwei einander gegenüber liegenden Greifelementen (27) ausgestatteten Greifer besteht, wobei jedes der Greifelemente (27) mit dem jeweiligen Gelenk (18) des dritten Aktors in Verbindung steht.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Servomotoren der Aktore auf einer Struktur befestigt sind, die aus dem Hauptgehäuse (3) derart herausragt, dass beim Verschieben des rohrförmigen Körpers diese Struktur verschoben wird, wobei die rohrförmigen Elemente an den entsprechenden rohrförmigen Körpern durch diametral vorstehende Erweiterungen befestigt sind.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Greifelemente (27) mit einem entsprechenden sekundären Servomotor (39, 42) in Verbindung steht, um mit jedem Greifelement (27) voneinander unabhängige Bewegungen durchführen zu können, wobei die sekundären Servomotoren (39, 42) unabhängig vom ersten, zweiten und dritten Aktor arbeiten.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptgehäuse (3) ein Display (30) aufweist, an dem die Daten der mit der Steuereinheit (7) geregelten Parameter wie etwa die räumlichen Positionierungskoordinaten und der Neigungsgrad des Mikrowerkzeuges in Echtzeit angezeigt werden.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zur Anzeige des Betriebszustandes aufweist, die mit einem Ein/Ausschalter verbunden sind.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigemittel aus einer mit der Stromversorgung verbundenen LED-Lichtquelle (9) bestehen.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen externen Anschluss bestehend aus einem USB-Port (17) aufweist.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen Navigator sowie ein mit einem Touchscreen-Joystick (20) versehenes Anzeigenmenü auf dem Hauptgehäuse (3) aufweist.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) eine Steuerung durch Spracherkennung zur Eingabe der Befehle in den Mikroprozessor (22) enthält.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromagnetische Vorrichtung zur Polarisierung des Mikrowerkzeuges (2) mit einem regulierbaren Wert mit positivem oder negativem Vorzeichen bereitgestellt wird.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Aktoren, der erste, der zweite und der dritte eine Vorrichtung zur Ermittlung des Widerstands enthält, um eine Steuerung der vom Mikrowerkzeug (2) auf den handzuhabenden Gegenstand oder Teil ausgeübten Kraft zu ermöglichen, wobei diese Vorrichtung zur Ermittlung des Widerstands in der Lage ist zwischen einem maximalen und einem minimalen Intervall des Kraftwertes zu arbeiten.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (22) eine Arithmetik/Logik-Einheit enthält, die in der Lage ist in Echtzeit die Positionierungs-Korrekturwerte zu ermitteln, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf die räumliche Lage des Mikrowerkzeuges (2) anzuwenden sind.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach den Ansprüchen 11, 12, 13 und 20 dadurch gekennzeichnet, dass die vom gyroskopischen Sensor, vom Bewegungs- und Erdmagnetfeldsensor erhaltenen räumlichen Positionierungsparameter für das Mikrowerkzeug mittels Display (30) grafisch angezeigt werden können.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen auf dem Hauptgehäuse (3) einrastenden Schutzdeckel (41) aufweist, der die aus dem Hauptgehäuse (3) hervorstehenden Betätigungsmittel und das Mikrowerkzeug (2) selbst abdeckt.
Tragbare, autonome Vorrichtung (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Steuereinheit (7) mit schnurlosen Mitteln zur Übertragung/zum Empfang von Signalen von wenigstens einer externen Vorrichtung ausgestattet ist, die in einem Kommunikationsnetz arbeitet.