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Die Erfindung betrifft einen passiven Manipulator, aufweisend mehrere Glieder, die eine kinematische Kette des Manipulators bilden und mehrere Gelenke, von denen jeweils ein Gelenk ausgebildet ist, ein dem betreffenden Gelenke in der kinematischen Kette unmittelbar vorgelagertes Glied mit einem dem betreffenden Gelenke in der kinematischen Kette unmittelbar nachgelagertem Glied antriebslos verstellbar zu verbinden.
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Aus der
DE 20 2012 013 204 U1 ist ein Manipulator bekannt, mit einem Fuß-Drehgelenk und/oder mindestens einem Schwenk-Drehgelenk und zumindest einem Arm, der einen Tool Center Point zur Bewegung im Raum aufweist, wobei an einem des zumindest einem Arm mindestens eine Prozesseinheit angeordnet ist, deren Steuerung oder Regelung durch mindestens eine ein Signal empfangende und/oder aussendende Messeinheit erfolgt, welche die Manipulatorposition und/oder die Manipulatorgeschwindigkeit im Raum erfasst und ein die Manipulatorposition und/oder die Manipulatorgeschwindigkeit wiederspiegelndes Signal an die Prozesseinheit übermittelt, wobei die Steuerung oder Regelung der Prozesseinheit von der Manipulatorposition und/oder Manipulatorgeschwindigkeit abhängig ist. Dabei kann in mindestens einem der Gelenke ein Gebersystem vorhanden sein.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen passiven Manipulator zu schaffen, der mit einfachen Mitteln sehr intuitiv von einer Person manuell geführt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen passiven Manipulator, aufweisend:
- – mehrere Glieder, die eine kinematische Kette des Manipulators bilden,
- – mehrere Gelenke, von denen jeweils ein Gelenk ausgebildet ist, ein dem betreffenden Gelenke in der kinematischen Kette unmittelbar vorgelagertes Glied mit einem dem betreffenden Gelenke in der kinematischen Kette unmittelbar nachgelagertem Glied antriebslos verstellbar zu verbinden,
- – mindestens einen Winkelsensor, der ausgebildet ist, die momentane Gelenkwinkelstellung wenigstens eines der mehreren Gelenke zu erfassen,
- – mindestens eine automatisch ansteuerbare Bremse, die ausgebildet ist, das der Bremse zugeordnete Gelenk der mehreren Gelenke in einem arretierten Zustand der Bremse derart zu sperren, dass ein Verstellen des Gelenks verhindert ist, und in einem freigegebenen Zustand der Bremse derart zu öffnen, dass das betreffende Gelenk durch manuelles Führen des Manipulators verstellbar ist, und
- – eine Manipulatorsteuerung, die ausgebildet ist, die mindestens eine automatisch ansteuerbare Bremse in Abhängigkeit eines Schaltzustands wenigstens eines Eingabemittels des Manipulators anzusteuern.
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Unter einem passiven Manipulator wird grundsätzlich eine robotische Armstruktur verstanden, die ohne Bewegungsantriebsvorrichtungen auskommt. Dies bedeutet, dass der passive Manipulator keine Motoren oder sonstige Antriebe aufweist und somit nicht automatisch aktiv in seinen Gelenken verstellt werden kann. Vielmehr ist der passive Manipulator ausgebildet, ausschließlich dadurch bewegt werden zu können, dass seine Gelenke durch manuelles Führen verstellt werden.
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Unter einem manuellen Führen wird verstanden, dass die Gelenke des passiven Manipulators dadurch verstellt werden, dass eine Person wenigstens eines der Glieder des Manipulators, insbesondere ein distales Endglied, wie ein Werkzeugflansch des Manipulators, oder ein am Werkzeugflansch des Manipulators befestigtes Werkzeug anfasst, festhält und durch Ziehen, Drücken und/oder Drehen im Raum bewegt und dadurch die Glieder des Manipulators verstellt.
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Der Manipulator trägt an seinem distalen Endglied beispielsweise ein Werkzeug, das insbesondere ein medizinisches Instrument sein kann. Die Bremsen an den Gelenken des Manipulators dienen dazu, die manuell eingestellten Gelenkwinkel beizubehalten, trotz des Eigengewichts des Manipulators und des Eigengewichts des am Manipulator befestigten Werkzeugs.
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Ganz allgemeinen dient der passive Manipulator dazu, das von ihm getragene Werkzeug selbsttätig in einer bestimmten Position und Orientierung zu halten, ohne dass eine Person das Werkzeug halten muss. Der passive Manipulator wirkt insoweit analog einem Stativ. Der passive Manipulator ist also antriebslos ausgebildet. Die Gelenke können entweder als Drehgelenke oder als Schubgelenke oder als eine Kombination von Dreh- und Schubgelenken ausgebildet sein.
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Der Winkelsensor misst den Winkel zwischen den beiden am Gelenk angeschlossenen Gliedern. Der Winkelsensor kann so integriert sein, dass der Gelenkwinkel direkt, d. h. ohne dazwischenliegendes Getriebe o. ä., gemessen werden kann. Dazu sollte der Winkelsensor eine ausreichend hohe Auslösung aufweisen. Durch eine direkte Winkelmessung kann der mechanische Aufbau und die Signalauswertung (keine Referenzierung) stark vereinfacht werden. Der Winkelsensor kann auf verschiedenen physikalischen Wirkprinzipien, bspw. magnetisch, optisch, etc., basieren und ist vorteilhaft ein absolutes oder pseudo-absolutes Messsystem, d. h. die absolute Winkelinformation steht nach einer Verdrehung des Gelenks um wenige Grad zur Verfügung.
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Der Manipulator, der insoweit ein Haltearm sein kann, soll bei Bedarf vom Bediener weggeschwenkt und anschließend mit hoher Wiederholgenauigkeit an die vorherige Stelle wieder rückpositioniert werden können.
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Die Bremse kann als eine Bremse ausgebildet sein, deren Bremskraft zwischen einer minimalen Bremskraft und einer maximalen Bremskraft automatisch einstellbar ist, und die Manipulatorsteuerung ausgebildet ist, die momentane Bremskraft der Bremse in Abhängigkeit des Schaltzustands des wenigstens einen Eingabemittels automatisch angesteuert einzustellen.
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Die Bremse kann als eine Bremse ausgebildet sein, deren Bremskraft zwischen einer minimalen Bremskraft und einer maximalen Bremskraft automatisch einstellbar ist, und die Manipulatorsteuerung ausgebildet ist, die momentane Bremskraft der Bremse in Abhängigkeit der von dem mindestens einen Winkelsensor erfassten momentanen Gelenkwinkelstellung des wenigstens einen Gelenks automatisch angesteuert einzustellen.
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Die Bremse kann als eine elektro-rheologische Bremse ausgebildet sein.
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Die Bremse kann als eine magneto-rheologische Bremse ausgebildet sein.
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Der passive Manipulator weist an dem jeweiligen Gelenk eine elektro- oder magneto-rheologische Bremse (MRF-Bremse) auf. Eine solche MRF-Bremse verwendet aufgrund der höheren Leistungsdichte und der besseren technischen Eigenschaften vorzugsweise eine magneto-rheologische Flüssigkeit (MRF). MRF sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln in einer Trägerflüssigkeit (z. B. Öl), deren Viskosität durch Anlegen eines magnetischen Felds gezielt verändert werden kann.
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Die Manipulatorsteuerung kann als eine elektrische und/oder elektronische Manipulatorsteuerung ausgebildet sein, und die Bremse kann dabei ausgebildet sein, ihren arretierenden Zustand, in dem das der Bremse zugeordnete Gelenk gesperrt und ein Verstellen des Gelenks verhindert ist, selbsttätig einzunehmen, sobald eine Versorgung der Bremse und/oder der Manipulatorsteuerung mit elektrischer Energie unterbrochen ist.
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Der passive Manipulator kann an dem der automatisch ansteuerbaren Bremse zugeordneten Gelenk zusätzlich zu der automatisch ansteuerbaren Bremse außerdem eine separate Sicherheitsbremse aufweisen.
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Die separate Sicherheitsbremse kann in einer zur automatisch ansteuerbaren Bremse diversitären Bauart ausgebildet sein.
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Die Sicherheitsbremse kann eine Permanentmagnetbremse sein, die ausgebildet ist, ihren arretierenden Zustand, in dem das der Sicherheitsbremse zugeordnete Gelenk gesperrt und ein Verstellen des Gelenks verhindert ist, selbsttätig einzunehmen, sobald eine Versorgung der Sicherheitsbremse und/oder der Manipulatorsteuerung mit elektrischer Energie unterbrochen ist.
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Das mindestens eine Gelenk des Manipulators kann ein zwischen der automatisch ansteuerbaren Bremse und dem nachgelagertem Glied oder dem vorgelagertem Glied angeordnetes, die Bremse an das entsprechende nachgelagertem Glied oder dem vorgelagertem Glied koppelndes Übersetzungsgetriebe aufweisen.
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Die Manipulatorsteuerung kann eingerichtet sein, unabhängig davon, ob die Bremse in ihrem arretierten Zustand oder in einem die momentane Bremskraft ansteuernden Zustand ist, in ihren freigebenden Zustand zu setzen, wenn an demjenigen Gelenk, das der Bremse zugeordnet ist, eine bauartbedingte und/oder vorgegebene Höchstgelenkskraft oder Höchstgelenksmoment auftritt.
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Im Folgenden sind verschiedene Betriebsarten des passiven Manipulators aufgezeigt, die einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen zur Anwendung kommen können.
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Die Bremse kann als eine Bremse ausgebildet sein, deren Bremskraft zwischen einer minimalen Bremskraft und einer maximalen Bremskraft automatisch einstellbar ist, und die Manipulatorsteuerung kann dabei eingerichtet sein, die momentane Bremskraft der Bremse automatisch angesteuert derart in einer Mindestgröße einzustellen, dass alle Gelenke, denen eine entsprechende automatisch ansteuerbare Bremse zugeordnet ist, in einem manuell ungeführten Zustand, trotz Schwerkraftbelastung durch das Eigengewicht des Manipulators und trotz einer durch den Manipulator getragenen Werkzeuglast, in ihren Winkelstellungen unverändert bleiben.
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Die Bremse kann als eine Bremse ausgebildet sein, deren Bremskraft zwischen einer minimalen Bremskraft und einer maximalen Bremskraft automatisch einstellbar ist, und die Manipulatorsteuerung kann dabei eingerichtet sein, die momentane Bremskraft der Bremse automatisch angesteuert derart einzustellen, dass das der Bremse zugeordnete Gelenk lediglich mit einer geringeren Geschwindigkeit, insbesondere Winkelgeschwindigkeit und/oder lediglich mit einer geringeren Beschleunigung, insbesondere Winkelbeschleunigung manuell geführt werden kann, als es eine vorgegeben Maximalgeschwindigkeit, Maximalwinkelgeschwindigkeit, Maximalbeschleunigung oder Maximalwinkelbeschleunigung vorgibt.
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Die Bremsen können als Bremsen ausgebildet sein, deren Bremskraft zwischen einer minimalen Bremskraft und einer maximalen Bremskraft automatisch einstellbar ist, und die Manipulatorsteuerung kann dabei eingerichtet sein, aus den momentanen Gelenkstellungen, insbesondere Gelenkwinkelstellungen aller Gelenke des Manipulators, die Position und Orientierung eines Werkzeugbezugspunktes des Manipulators oder des vom Manipulator getragenen Werkzeugs in kartesischen Koordinaten im Raum zu bestimmen, und die jeweilige momentane Bremskraft der Bremsen in Abhängigkeit der Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes automatisch angesteuert derart einzustellen, dass bei Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen kartesischen Arbeitsraumgrenze während eines manuellen Führens des Manipulators die Bremsen in ihre arretierenden Zustände gebracht werden.
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Die Bremsen können als Bremsen ausgebildet sein, deren Bremskraft zwischen einer minimalen Bremskraft und einer maximalen Bremskraft automatisch einstellbar ist, und die Manipulatorsteuerung kann dabei eingerichtet sein, aus den momentanen Gelenkstellungen, insbesondere Gelenkwinkelstellungen aller Gelenke des Manipulators, die Position und Orientierung eines Werkzeugbezugspunktes des Manipulators oder des vom Manipulator getragenen Werkzeugs in kartesischen Koordinaten im Raum zu bestimmen, und die jeweilige momentane Bremskraft der Bremsen in Abhängigkeit der Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes automatisch angesteuert derart einzustellen, dass die resultierende Bremskraft in den kartesischen Richtungen während einer manuell geführten Annäherung des Werkzeugbezugspunktes an eine vorgegebene kartesische Zielposition, entlang einer vorgegebenen Bahn oder innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsraumes vergrößert wird.
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Die Manipulatorsteuerung kann eingerichtet sein, die resultierende Bremskraft in derjenigen kartesischen Richtung auf eine maximale Bremskraft zu erhöhen, die so hoch ist, der Manipulator manuell in dieser kartesischen Richtung nicht mehr von Hand bewegt werden kann, wenn in dieser kartesischen Richtung die vorgegebene kartesische Zielposition, die vorgegebene Bahn oder der vorgegebene Arbeitsraum mit dem Werkzeugbezugspunkt erreicht ist.
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Die Manipulatorsteuerung kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit des Schaltzustands eines Eingabemittels, das einen ersten Schaltzustand aufweist, der einen Arretierungszustand des Manipulatorarms kennzeichnet und das einen zweiten Schaltzustand aufweist, der einen Freigabezustand des Manipulatorarms kennzeichnet, die resultierende kartesische Bremskraft der Bremsen in Richtung einer minimalen Bremskraft zu reduzieren oder die Bremskraft ganz aufzuheben, wenn sich das Eingabemittel in seinem zweiten Schaltzustand befindet und der Werkzeugbezugspunkt sich während des manuellen Führens des Manipulators mit der Hand von der vorgegebenen kartesischen Zielposition, von der vorgegebenen Bahn oder aus dem vorgegebenen Arbeitsraum entfernt.
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Mit all diesen verschiedenen Betriebsarten kann der passive Manipulator, je nachdem, in folgenden beispielshaften Weisen betrieben werden.
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Der vorgeschlagene passive Manipulator ist eine rein handgeführte Kinematik, deren Bewegungswiderstand von einer Steuerung situationsabhängig und individuell für jedes Gelenk variiert werden kann. Damit können zahlreiche sonst nur aus der antriebstechnischen Robotik bekannte Steuerungsmodi für das Handführen auf den vorgeschlagenen passiven Haltearm übertragen werden. Dabei wird vorteilhaft möglich, eine kartesische anstelle einer achsweisen Planung der MRF-Bremsen vorzunehmen.
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Es kann dabei eine Einschränkung der Freiheitsgrade erfolgen, um die Bedienung gezielt zu beeinflussen. Durch Verwendung der Winkelsensoren und geeignete Einstellung der Bremskräfte der Bremsen kann der Bediener dabei unterstützt werden, den passiven Manipulator bspw. auf einer vorgegebenen Bahn zu führen. Alternativ kann die Bewegung auf bestimmte Richtungen oder Bereiche, wie Ebenen, Volumina, etc., beschränkt werden. Beispiele sind virtuelle Gelenkanschläge, d. h. Begrenzung im Gelenkraum, oder Arbeitsraumbegrenzungen, z. B. virtuelle Wände im kartesischen Raum, oder eine Beschränkung auf vorgegebene Bahnen.
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Es kann eine Einschränkung der Leichtgängigkeit vorgesehen sein. Die Leichtgängigkeit des passiven Manipulators wird durch Einstellen von erhöhten Bremskräften in den MRF-Bremsen erreicht. Diese Betriebsweise kann auch dazu verwendet werden, um die Geschwindigkeit des passiven Manipulators zu begrenzen.
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Es kann eine Schwerkraftkompensation stattfinden. Durch geeignete Einstellung der Bremskräfte der MRF-Bremsen kann das Eigengewicht des Haltearms und bspw. des medizinischen Instruments oder Geräts zumindest teilweise kompensiert werden.
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Es kann ein Führen des passiven Manipulators in eine vorgegebene Position stattfinden. Der passive Manipulator kann dazu in eine vorgegebene Position geführt werden, indem die Bremskräfte in den Gelenken geeignet angesteuert werden. Die Positionsvorgabe kann durch manuelle Eingabe oder durch ein externes Gerät erfolgen.
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In einer weiteren Betriebsart kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der passive Manipulator manuell weggeschwenkt und anschließend wieder in die vorherige Position manuell zurückgeschwenkt werden kann. Damit der Bediener den passiven Manipulator bei Bedarf wegschwenken kann, z. B. für eine bessere Zugänglichkeit des Arbeitsraumes des passiven Manipulators, ist an der Bedieneinrichtung der entsprechende Modus in der Steuerung zu aktivieren. Dabei werden alle aktuellen Gelenkwinkel durch die Winkelsensoren erfasst und in der Steuerung gespeichert. Nach einem Drücken einer Freigabeeinrichtung auf der Bedieneinrichtung wird der Haltearm des passiven Manipulators freigeschaltet und kann vom Bediener manuell weggeschwenkt werden. Nach erneuter Freigabe werden die ursprünglichen Gelenkwinkel von der Steuerung als Sollwerte aufgenommen. Während der Bediener den Haltearm schwenkt, bleibt die MRF-Bremse beispielsweise so lange geöffnet, bis die ursprünglichen Gelenkwinkel wieder erreicht sind. Optional kann die Bremskraft in einzelnen oder mehreren Gelenken sukzessive vor Erreichen des bzw. der ursprünglichen Gelenkwinkel erhöht werden, um den Bediener auf ein bevorstehendes Erreichen der Zielposition hinzuweisen.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in anderen als den dargestellten Kombinationen betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Manipulators mit einer Manipulatorsteuerung,
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2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gelenks mit einem in der kinematischen Kette unmittelbar vorgelagerten Glied und einem unmittelbar nachgelagertem Glied und einer zugeordneten Bremse, und
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3 eine schematische Darstellung eines alternativen Gelenks mit einem in der kinematischen Kette unmittelbar vorgelagerten Glied, einem unmittelbar nachgelagertem Glied und einer zugeordneten Bremse, sowie mit einem dem Gelenk zugeordneten Getriebe und einer separaten Sicherheitsbremse.
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Die 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines passiven Manipulators 1. Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Gelenks eines Manipulators 1 und 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Gelenks eines Manipulators 1.
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Der passive Manipulator 1 umfasst demgemäß mehrere Glieder 2, die eine kinematische Kette des Manipulators 1 bilden, und umfasst mehrere Gelenke 3, von denen jeweils ein Gelenk 3 ausgebildet ist, ein dem betreffenden Gelenke 3 in der kinematischen Kette unmittelbar vorgelagertes Glied 2a mit einem dem betreffenden Gelenke 3 in der kinematischen Kette unmittelbar nachgelagertem Glied 2b antriebslos verstellbar zu verbinden.
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Das jeweilige Gelenk 3 weist einen Winkelsensor 4 auf, der ausgebildet ist, die momentane Gelenkwinkelstellung des Gelenks 3 zu erfassen.
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Das jeweilige Gelenk 3 weist außerdem eine automatisch ansteuerbare Bremse 5 auf, die ausgebildet ist, das der Bremse 5 zugeordnete Gelenk 3 in einem arretierten Zustand der Bremse 5 derart zu sperren, dass ein Verstellen des Gelenks 3 verhindert ist, und in einem freigegebenen Zustand der Bremse 5 derart zu öffnen, dass das betreffende Gelenk 3 durch manuelles Führen des Manipulators 1 verstellbar ist.
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Eine Manipulatorsteuerung 6 (1) ist ausgebildet, die mehreren, im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die insbesondere drei automatisch ansteuerbaren Bremsen 5 in Abhängigkeit eines Schaltzustands wenigstens eines Eingabemittels 7 des Manipulators 1 anzusteuern. Dabei kann die Manipulatorsteuerung 6 über jeweils eine Steuerleitung 8.1, 8.2, 8.3 mit der jeweiligen automatisch ansteuerbaren Bremse 5 des jeweiligen Gelenks 3 steuerungstechnisch verbunden sein. Auch das Eingabemittel 7 kann über eine eigene Steuerleitung 8.4 mit der Manipulatorsteuerung 6 steuerungstechnisch verbunden sein. Des Weiteren kann ein Anzeigemittel 9 über eine eigene Steuerleitung 8.5 mit der Manipulatorsteuerung 6 steuerungstechnisch verbunden sein, um einen Status der Manipulatorsteuerung 6, des Manipulators 1 und/oder der automatisch ansteuerbaren Bremsen 5 optisch anzuzeigen.
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Der Manipulator 1 trägt an seinem distalen Endglied ein Werkzeug 12, das beispielsweise ein medizinisches Instrument sein kann.
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Die Manipulatorsteuerung 6 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels als eine elektrische und/oder elektronische Manipulatorsteuerung 6 ausgebildet, und die Bremsen 5 sind ausgebildet, ihren arretierenden Zustand, in dem das der jeweiligen Bremse 5 zugeordnete Gelenk 3 gesperrt und ein Verstellen des Gelenks 3 verhindert ist, selbsttätig einzunehmen, sobald eine Versorgung der Bremse 5 und/oder der Manipulatorsteuerung 6 mit elektrischer Energie unterbrochen ist.
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Die jeweilige Bremse 5 kann als eine elektro-rheologische Bremse oder als eine magneto-rheologische Bremse ausgebildet sein.
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Der passive Manipulator 1 weist im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß 3 an jedem Gelenk 3, dem die automatisch ansteuerbare Bremse 5 zugeordnet ist, zusätzlich zu der automatisch ansteuerbaren Bremse 5 außerdem eine separate Sicherheitsbremse 10 auf.
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Die separate Sicherheitsbremse 10 ist in einer zur automatisch ansteuerbaren Bremse 5 diversitären Bauart ausgebildet.
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Die Sicherheitsbremse 10 kann eine Permanentmagnetbremse sein, die ausgebildet ist, ihren arretierenden Zustand, in dem das der Sicherheitsbremse 10 zugeordnete Gelenk 3 gesperrt und ein Verstellen des Gelenks 3 verhindert ist, selbsttätig einzunehmen, sobald eine Versorgung der Sicherheitsbremse 10 und/oder der Manipulatorsteuerung 6 mit elektrischer Energie unterbrochen ist.
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Der passive Manipulator 1 weist im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß 3 außerdem ein Übersetzungsgetriebe 11 auf, das zwischen der automatisch ansteuerbaren Bremse 5 und dem nachgelagertem Glied 2b oder dem vorgelagertem Glied 2a angeordnet ist, wobei die Bremse 5 an das entsprechende nachgelagertem Glied 2b oder dem vorgelagertem Glied 2a ankoppelt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012013204 U1 [0002]
