[0001] Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung, insbesondere für ein medizinisch-optisches Instrument, mit wenigstens einem Drehgelenk und mit Mitteln zum Ausgleich eines Last-Drehmoments, welches das medizinisch-optische Instrument an dem Drehgelenk hervorruft.
[0002] Eine derartige Haltevorrichtung ist aus der DE 4 231 516 C2 bekannt. Dort ist ein verstellbares Stativ für ein Operationsmikroskop beschrieben. Das Stativ weist ein erstes und ein zweites Drehgelenk auf. Diesen Drehgelenken ist jeweils ein elastischer Energiespeicher zugeordnet. Der elastische Energiespeicher enthält eine Drehfeder, deren Vorspannung eingestellt werden kann.
Die elastischen Energiespeicher erzeugen ein Ausgleichsdrehmoment, das einem von dem am Stativ aufgenommenen Operationsmikroskop hervorgerufenen Last-Drehmoment in den Drehgelenken entgegenwirkt.
[0003] In der DE 4 320 443 C2 ist eine Haltevorrichtung für ein medizinisch-optisches Instrument beschrieben, bei der motorisch verstellbare Ausgleichsgewichte vorgesehen sind, um in Drehachsen der Haltevorrichtung auftretende Last-Drehmomente zu kompensieren.
[0004] Die US 5 642 220 offenbart eine Haltevorrichtung für ein medizinisch-optisches Instrument, in der zur Erzeugung eines Gegendrehmoments zur Kompensation von Last-Drehmomenten eine Linearfedereinheit oder ein Gasdruckzylinder vorgesehen ist. Die Linearfedereinheit oder der Gasdruckzylinder wirken auf einen Hebelarm. Indem ein Angriffspunkt von Gasdruckzylinder bzw.
Linearfedereinheit variiert wird, kann ein gewünschtes Ausgleichsmoment eingestellt werden.
[0005] In der US 5 402 582 ist eine Haltevorrichtung zur Aufnahme eines Tastkopfes zur Vermessung von Werkstücken beschrieben. Die Haltevorrichtung umfasst einen mehrgelenkigen Tragarm. In den Gelenken des Tragarmes sind Drehfedern vorgesehen. Diese Drehfedern erzeugen Drehmomente, die Last-Drehmomenten in diesen Gelenken entgegenwirken.
[0006] Die DE 4 202 922 A1 offenbart ein motorisches Stativ mit einem Operationsmikroskop als Haltevorrichtung für ein medizinisch-optisches Instrument. Dieses Stativ hat eine Tragsäule, die auf einem Standfuss gelagert ist und um eine vertikale Achse gedreht werden kann. An dieser Tragsäule ist ein mehrgelenkiger Tragarm angeordnet, der vier Drehgelenke mit motorischen Antrieben aufweist. Diesen motorischen Antrieben ist eine Steuereinheit zugeordnet.
Die Steuereinheit ist mit Winkelgebern, die an den Drehgelenken angeordnet sind, verbunden. Der Steuereinheit wird dabei die gewünschte Stellung eines bestimmten Drehgelenks vorgegeben. Entsprechend der vorgegebenen Gelenkstellung eines Drehgelenks werden dann die Antriebe der Haltevorrichtung bestromt, um einen bestimmten Tragarmabschnitt an einem Drehgelenk in eine gewünschte Winkelstellung zu verfahren.
[0007] Aus der EP 1 152 182 A1 ist ein Operationsmikroskop mit einem Stativ bekannt, das eine im Wesentlichen horizontal verlaufende motorisch verstellbare Schwenkachse aufweist.
In dieser Schwenkachse befindet sich ein Schrittmotor, der mittels eines Bedienungselements, in dem Kraft- oder Drehmomentsensoren vorgesehen sind, gesteuert wird und eine Servoverstellung des an dieser Achse aufgenommenen Operationsmikroskops ermöglicht.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Haltevorrichtung bereitzustellen, bei dem ein Gleichgewichtszustand zur kräftefreien Bewegung eines an der Haltevorrichtung aufgenommenen Instruments um ein Drehgelenk eingestellt werden kann und darüber hinaus ein servogesteuertes Bewegen des Instruments um diese Drehachse möglich ist.
[0009] Diese Aufgabe wird durch eine Haltevorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Mittel zum Ausgleich des Last-Drehmoments einen Elektromotor umfassen,
der mit Mitteln zum Erfassen der Stellung des Drehgelenks kombiniert ist und in Abhängigkeit einer erfassten Drehgelenkstellung zur Erzeugung eines das Last-Drehmoment ausgleichenden Gegenmoments bestromt werden kann. Hierzu ist eine Steuereinheit vorgesehen, die den erforderlichen Motorstrom einstellt. Zum Ausgleich des Last-Drehmoments ordnet die Steuereinheit einem erfassten Drehgelenkstellungswert einen Wert für einen Motorstrom zu, der auf den Elektromotor ausgegeben wird und der bewirkt, dass der Elektromotor ein Gegenmoment erzeugt, welches das an dem Drehgelenk anliegende Last-Drehmoment ausgleicht.
Auf diese Weise wird eine kompakt aufgebaute Haltevorrichtung geschaffen, die motorisch gekippt und geschwenkt werden kann und dabei leicht an unterschiedliche Konfigurationen eines medizinisch-optischen Instruments für Drehmomentausgleich anpassbar ist.
[0010] In Weiterbildung der Erfindung ist dem Drehgelenk eine Bremse zugeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich die Haltevorrichtung bei unbestromtem Elektromotor nicht bewegt.
[0011] In Weiterbildung der Erfindung ist der Elektromotor mittels eines Getriebes mit dem Drehgelenk gekoppelt. Auf diese Weise wird eine präzise Einstellung eines Gleichgewichtszustands bei der Haltevorrichtung ermöglicht.
[0012] In Weiterbildung der Erfindung weist der Elektromotor eine Antriebsachse auf, die zu einer Drehachse des Drehgelenks versetzt verläuft.
Auf diese Weise wird bei der Haltevorrichtung Platz für Anschlussgeräte an das medizinisch-optische Instrument geschaffen und es ist beispielsweise möglich, eine optische Strahlauskopplung in der betreffenden Drehachse vorzunehmen.
[0013] In Weiterbildung der Erfindung weisen die Mittel zum Erfassen der Stellung des Drehgelenks einen Encoder des Elektromotors oder einen Stellungsgeber auf. Auf diese Weise kann eine momentane Stellung des Drehgelenks präzise bestimmt werden.
[0014] In Weiterbildung der Erfindung ist der Steuereinheit des Elektromotors ein elektronischer Speicher zugeordnet, in dem eine Strom-Drehgelenkstellungskurve oder eine Tabelle mit zueinander passenden Stromwerten und Drehgelenkstellungen abgelegt ist.
Auf diese Weise kann eine schnelle Zuordnung von erforderlichem Stromwert bei gegebener Stellung der medizinisch-optischen Ausrüstung gewährleistet werden.
[0015] In Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei Drehgelenke mit Mitteln zum Ausgleich eines Last-Drehmoments vorgesehen. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass an der Haltevorrichtung aufgenommene medizinisch-optische Ausrüstung entsprechend mehreren Bewegungsfreiheitsgraden kräftefrei bewegt werden kann.
[0016] In Weiterbildung der Erfindung sind bei der Haltevorrichtung Mittel zum Erfassen einer zeitlichen Änderung der Stellung des Drehgelenks vorgesehen. Diese Mittel erfassen vorzugsweise eine zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung durch mathematisches Ableiten der ermittelten Drehgelenkstellung nach der Zeit.
Die ermittelte Änderung der Drehgelenkstellung wird dann als Regelgrösse einem Regelkreis zugeführt, der als Stellgrösse einen Motorstrom für den Elektromotor am Drehgelenk ausgibt. Dieser Motorstrom wird dem Motorstrom für Drehmomentausgleich überlagert, so dass der Motor ein zusätzliches Drehmoment erzeugt, welches einer ermittelten Änderung der Drehgelenkstellung entgegenwirkt.
[0017] Mit einem solchen Regelkreis ist es möglich, einer Bedienperson einen Trägheitseffekt zu simulieren. So kann beispielsweise bei einer als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung vermieden werden, dass sich das Zittern einer menschlichen Hand, die ein an der Haltevorrichtung aufgenommenes Instrument führt, auf das Instrument selbst überträgt.
Gleichzeitig ermöglicht ein solcher Regelkreis, dass nicht vordefinierbare Kräfte und Momente, in der Chirurgie etwa Schnitt- und Rückstellkräfte beim Schneiden von elastischem Gewebe, beim Aufnehmen einer Resektion oder auch ausserhalb der Chirurgie beim Aufgreifen eines unbekannten Gegenstandes mit einem entsprechenden Werkzeug von einer Bedienperson als reale haptische Rückkopplung (Feedback) ohne verfälschende Fremdkräfte erfasst wird.
[0018] Im Bereich der Medizin werden beispielsweise Ärzte hierdurch in die Lage versetzt, ihre Hände von einem Operationsgebiet fernzuhalten. Dies eröffnet grundsätzlich die Möglichkeit, im laufenden Operationsbetrieb strahlungsintensive intraoperative Bildgebungsverfahren einzusetzen und auch hochinfektiöse Patienten zu behandeln.
Da mit einer entsprechend als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung zitterarme, präzise Bewegungen ausgeführt werden können, ist bei Einsatz eines solchen Manipulators mit einem Operationsmikroskop in der Regel eine für präzise Interventionen häufig eingesetzte vorbereitungsintensive Navigation nicht mehr nötig.
[0019] Durch entsprechende aktive Überlagerung von Stromkurven bzw. Stromsteuerkurven mehrerer Elektromotoren des Manipulators im gewichtsausgeglichenen Zustand können bei Bedarf semi-robotische Funktionen realisiert werden. Zum Beispiel kann der Anwender mit einer geeigneten Steuerung von kritischen Bereichen eines Operationsgebiets entweder ganz fern gehalten werden oder er kann durch einen künstlichen Widerstand gewarnt werden, solange er dies wünscht.
Hierzu können beispielsweise die Daten von Navigationstools, virtuellen 3D-Modellen oder 3D-Bahnen in den entsprechenden Motorpositionen zu additiv überlagerten Motorströmen umgesetzt werden. Auf dem Gebiet der Chirurgie kann so insbesondere sichergestellt werden, dass nur im Randbereich eines Tumors operiert wird.
[0020] Allgemein hat gegenüber der klassischen Robotertechnik das beschriebene Steuer- bzw.
Regelprinzip für eine Haltevorrichtung den Vorteil, dass es keiner Kraft- und/oder Momentsensoren bedarf und keine komplexe, schwer zu beherrschende Sensor-Aktuatorregelung eingesetzt werden muss, der bestimmten Dynamikbereiche nur schwer zugänglich sind.
[0021] Wird bei der Haltevorrichtung die Masseverteilung der Tragarme so gewählt, dass wenigstens in etwa ein Gewichtsausgleich um Drehachsen zu den betreffenden Gelenken gegeben ist, können zum Verstellen der Haltevorrichtung vergleichsweise schwache Motoren eingesetzt werden. Diese Motoren müssen nämlich dann nur geringe Momente ausgleichen.
Bei einer Haltevorrichtung, deren Tragarme um die Drehachsen von Drehgelenken ausbalanciert sind, wäre es beispielsweise nur erforderlich, dass die Motoren die von einem zusätzlich aufgenommenen Werkzeug in den Drehachsen hervorgerufenen Momente ausgleichen.
[0022] In Weiterbildung der Erfindung ist das medizinisch-optische Instrument mit einem Parallelogrammlenker an einem Tragarm aufgenommen. Ein solcher Parallelogrammlenker ermöglicht, die Mittel zum Ausgleich eines Last-Drehmoments ergonomisch günstig im Bereich eines Stativarms oberhalb des medizinisch-optischen Instruments anzuordnen.
Ferner wird so eine stabile Aufnahme des medizinisch-optischen Instruments an der Haltevorrichtung gewährleistet.
[0023] In einem Verfahren zum Ermitteln einer Stromsteuerkurve für das Einstellen eines Gleichgewichtszustands in einer erfindungsgemässen Haltevorrichtung wird das wenigstens eine Drehgelenk mittels des Elektromotors um eine Achse des Drehgelenkes bewegt, der zur Bewegung des Drehgelenks erforderliche Strombedarf des Elektromotors ermittelt, die momentane Stellung des Drehgelenks bestimmt und der ermittelte Strombedarf in Abhängigkeit der Drehgelenkstellung in einem elektronischen Speicher als Stromsteuerkurve abgelegt.
Auf diese Weise kann bei der Haltevorrichtung für unterschiedliche Konfigurationen von medizinisch-optischer Ausrüstung ein Gleichgewichtszustand eingestellt werden.
[0024] Es ist auch möglich, eine Stromsteuerkurve zu ermitteln, indem das wenigstens eine Drehgelenk mittels des Elektromotors in eine erste Richtung bewegt, wird, wobei der zur Bewegung des Drehgelenks erforderliche Strombedarf des Elektromotors in Abhängigkeit der Stellung des Drehgelenks ermittelt wird, und darauf das wenigstens eine Drehgelenk mittels des Elektromotors in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt wird,
wobei der zur Bewegung des Drehgelenks erforderliche Strombedarf des Elektromotors in Abhängigkeit der Stellung des Drehgelenks ermittelt wird.
[0025] Vorzugsweise wird dann ein Mittelwert des für das Bewegen des wenigstens einen Drehgelenks in der ersten Richtung erforderlichen Strombedarfs und des für das Bewegen des wenigstens einen Drehgelenks in der zweiten Richtung erforderlichen Strombedarfs berechnet und in Abhängigkeit der Drehgelenkstellung in einem elektronischen Speicher als Stromsteuerkurve abgelegt.
Auf diese Weise ist es möglich eine Stromsteuerkurve zu generieren, die nicht mit Fehlern, die auf Reibungskräfte in dem betreffenden Drehgelenk zurückgehen, behaftet ist.
[0026] Für das Ermitteln der Stromsteuerkurve des wenigstens einen Drehgelenks reicht es dabei aus, mit dem Elektromotor das Drehgelenk über einen Drehwinkelabschnitt delta zu bewegen, bspw.
<EMI ID=2.0>
denn es kann aus einem Abschnitt einer erfassten Stromsteuerkurve auf den gesamten Verlauf der Stromsteuerkurve im Winkelbereich 0 <= <= 2 pi , der einer vollen Umdrehung des Drehgelenks entspricht, geschlossen werden. Auf diese Weise ist es möglich, innerhalb kurzer Zeit, gegebenenfalls in wenigen Sekunden eine gewünschte Stromkurve bzw.
Stromsteuerkurve für das Drehgelenk aufzunehmen.
[0027] Indem bei der Haltevorrichtung eine momentane Stellung des Drehgelenks erfasst und der Elektromotor entsprechend einer in einem Speicher abgelegten Stromsteuerkurve bestromt wird, kann ein Gleichgewichtszustand für die medizinisch-optische Ausrüstung dadurch hergestellt werden, dass einer bestimmten Stellung des Drehgelenks für den Elektromotor ein Stromwert für Drehmomentkompensation zugeordnet wird.
[0028] Es ist weiter auch möglich, eine momentane Änderung der Stellung des Drehgelenks zu bestimmen und dann einen der Änderung der Stellung des Drehgelenks entgegenwirkenden Strom auf den Elektromotor auszugeben.
[0029] Sind in der Haltevorrichtung mehrere Drehgelenke vorgesehen, die Mittel zum Ausgleich eines Last-Drehmoments mit Elektromotor aufweisen, so kann ein Gleichgewichtszustand eingestellt werden,
indem eine momentane Stellung eines ersten Drehgelenks bestimmt wird, eine momentane Stellung eines zweiten Drehgelenks bestimmt wird, und ein dem ersten Drehgelenk zugeordneter Elektromotor und ein dem zweiten Drehgelenk zugeordneter Elektromotor entsprechend einer in einem Speicher abgelegten zweidimensionalen Stromsteuerkurve bestromt wird.
Dabei ordnet die Stromsteuerkurve entsprechend der bestimmten momentanen Stellung der Drehgelenke den Elektromotoren der Drehgelenke jeweils einen Stromwert für Drehmomentkompensation zu.
[0030] Um eine entsprechende zweidimensionale Stromsteuerkurve für das Einstellen eines Gleichgewichtszustandes in einer Haltevorrichtung zu ermitteln, wird die Stellung eines ersten Drehgelenks erfasst, bei einer bekannten Stellung des ersten Drehgelenks ein zweites Drehgelenk mittels des dem zweiten Drehgelenk zugeordneten Elektromotors um seine Achse bewegt, und dann der zur Bewegung des zweiten Drehgelenks erforderliche Strombedarf des Elektromotors bestimmt. Dann wird die momentane Stellung des zweiten Drehgelenks erfasst und der bestimmte Strombedarf in Abhängigkeit der Stellung des zweiten Drehgelenks in einem elektronischen Speicher als erste Stromsteuerkurve abgelegt.
Anschliessend wird bei einer bekannten Stellung des zweiten Drehgelenks das erste Drehgelenk mittels des zugeordneten Elektromotors um seine Achse bewegt, wobei der zur Bewegung erforderliche Strombedarf des Elektromotors ermittelt, entsprechend die momentane Stellung des ersten Drehgelenks bestimmt, und dann der ermittelte Strombedarf in Abhängigkeit der Stellung des zweiten Drehgelenks in einem elektronischen Speicher als zweite Stromsteuerkurve abgelegt wird.
[0031] Entsprechende Verfahren können zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes bei einer Haltevorrichtung mit drei und mehr Drehgelenken zur Anwendung kommen, indem geeignete drei- oder mehrdimensionale Stromsteuerkurven für Elektromotoren, die den Drehgelenken zugeordnet sind, ermittelt bzw.
zum Ansteuern der Elektromotoren herangezogen werden.
[0032] Bei einer als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung muss gewährleistet sein, dass für jedes neu aufgenommene Instrument, Werkzeug oder Werkstück entweder eine vorherige Kalibrierung von positionsabhängigen Motorströmen vorgenommen wird oder für jeden aufgenommenen Gegenstand entsprechende Identifikationen zusammen mit den absoluten oder additiven positionsabhängigen Kompensations-Motorstromkurven etwa aus einem elektronischen Speicher abgerufen werden können. Hierzu können Gegenstände, die mit der Haltevorrichtung aufgenommen werden sollen, über einen Barcode oder einen Mikrochip mit einer automatischen Identifikation versehen werden.
Darüber hinaus ist es möglich, die aus der Fertigungsindustrie bekannten Methoden zur Werkzeugidentifikation, wie sie bei automatischen Zufuhreinrichtungen bei Werkzeugmaschinen bekannt sind, zu verwenden.
[0033] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
[0034] Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Haltevorrichtung für ein Operationsmikroskop als medizinisch-optisches Instrument in einer ersten Stellung;
<tb>Fig. 2<sep>die Haltevorrichtung aus Fig. 1 in einer zweiten Stellung;
<tb>Fig. 3<sep>schematisch ein erstes Drehgelenk der Haltevorrichtung aus Fig. 1;
<tb>Fig. 4<sep>schematisch ein zweites Drehgelenk der Haltevorrichtung aus Fig. 1;
<tb>Fig. 5<sep>das Zustandekommen eines Drehmoments in einem Drehgelenk der Haltevorrichtung aus Fig. 1;
<tb>Fig. 6<sep>den Zusammenhang zwischen Drehgelenkstellung und einem an dem betreffenden Drehgelenk auftretenden Drehmoment;
<tb>Fig. 7<sep>schematisch eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Elektromotors in einem Drehgelenk der Haltevorrichtung aus Fig. 1;
<tb>Fig. 8<sep>schematisch ein Drehgelenk mit medizinisch-optischem Instrument und Elektromotor;
<tb>Fig. 9<sep>Motorstromkurven des Elektromotors bei dem Drehgelenk aus Fig. 8;
<tb>Fig. 10<sep>eine Haltevorrichtung mit Operationsmikroskop;
<tb>Fig. 11<sep>schematisch eine Schaltungsanordnung zur Steuerung mehrerer Elektromotoren in einer Schaltungsanordnung mit mehreren Drehgelenken;
<tb>Fig. 12<sep>eine als Manipulator ausgebildete Haltevorrichtung;
<tb>Fig. 13<sep>schematisch eine Schaltungsanordnung mit Regelkreis zur Steuerung eines Elektromotors in einem Drehgelenk der als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung aus Fig. 9; und
<tb>Fig. 14<sep>eine Schaltungsanordnung mit Regelkreisen zur Steuerung von Elektromotoren in mehreren Drehgelenken einer Haltevorrichtung.
[0035] Die Fig. 1 zeigt eine Haltevorrichtung 101 mit einem Parallelogrammlenker 102, an dem ein Operationsmikroskop 103 als medizinisch-optische Ausrüstung aufgenommen ist. Die Haltevorrichtung 101 ist mittels eines Traglenkers 104 an einem nicht weiter dargestellten Stativ befestigt. An diesem Traglenker 104 kann die Haltevorrichtung 101 um eine vertikale Drehachse 105 gedreht werden.
[0036] Der Parallelogrammlenker 102 umfasst Lenker 106 bis 110 mit Drehgelenken 111 bis 117.
[0037] Dem Drehgelenk 111 ist ein erster Elektromotor zugeordnet. Dieser Elektromotor ermöglicht eine gesteuerte Bewegung der Parallelogrammlenker 102 um eine horizontale Drehachse 118.
Bei dieser Bewegung wird das Operationsmikroskop seitlich verschwenkt.
[0038] An dem Lenker 110 ist ein weiteres Drehgelenk 119 mit einer Drehachse 120 aufgenommen. Auch diesem Drehgelenk 119 ist ein Elektromotor zugeordnet. Mit diesem Elektromotor kann um die Drehachse 120 eine Kippbewegung des Operationsmikroskops 103 gesteuert werden.
[0039] Die Fig. 2 zeigt die Haltevorrichtung 101 aus Fig. 1 in einer ausgelenkten Parallelogrammlenkerstellung. Die Einheiten der Haltevorrichtung in Fig. 2 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, die auch in Fig. 1 verwendet wurden. Das Operationsmikroskop 103 in Fig. 2 ist relativ zur Stellung des Operationsmikroskops in Fig. 1 seitlich verschwenkt.
[0040] Die Fig. 3 zeigt schematisch das Drehgelenk 111 der Haltevorrichtung 101 aus Fig. 1.
Das Drehgelenk 111 hat einen ersten Gelenkteil 301 und einen zweiten Gelenkteil 302, der relativ zum Gelenkteil 301 bewegt werden kann. Der Gelenkteil 302 ist mit Lagereinheiten 303 und 304 an dem Gelenkteil 301 gelagert. Dem Drehgelenk 111 ist ein Elektromotor 305 zugeordnet, der mittels einer Welle 306 mit dem Gelenkteil 302 verbunden ist. Mit dem Elektromotor 305 kann ein Drehmoment erzeugt werden, das in den zweiten Gelenkteil 302 des Drehgelenks 111 eingeleitet wird.
[0041] Der Elektromotor 305 hat einen Encoder 307. Dieser Encoder 307 stellt ein Spannungssignal bereit, aus dem mit einer geeigneten Signalverarbeitungseinheit eine momentane Stellung des Elektromotors und damit der Welle 306 abgeleitet werden kann.
Aus dem Spannungssignal des Encoders 307 kann somit die Stellung des Drehgelenks 111 bestimmt werden.
[0042] In dem Drehgelenk 111 ist weiter eine Magnetbremse 308 vorgesehen, die je nach Ansteuerung eine Bewegung des zweiten Gelenkteils relativ zum ersten Gelenkteil freigibt oder unterbindet.
[0043] Mit dem Drehmoment, das der Elektromotor 305 bereitstellt, kann entweder ein an dem zweiten Gelenkteil 302 anliegendes Last-Drehmoment ausgeglichen werden oder das Gelenkteil 302 kann entsprechend der Ansteuerung des Elektromotors 305 bewegt werden.
[0044] Die Fig. 4 zeigt schematisch das weitere Drehgelenk 119 aus Fig. 1. So wie das Drehgelenk 111 ist auch dem Drehgelenk 119 ein Elektromotor 405 zugeordnet, mit dem ein an einem Gelenkteil 402 anliegendes Drehmoment ausgeglichen werden kann. Der Elektromotor 405 ist in einem ersten Gelenkteil 401 des Drehgelenks 119 gehalten.
Das Drehgelenk 119 umfasst weiter Lagereinheiten 403 und 404, die eine Bewegung des zweiten Gelenkteils 402 zu dem ersten Gelenkteil 401 ermöglichen.
[0045] Der Elektromotor 405 ist mit dem zweiten Gelenkteil 402 über ein Getriebe 406 gekoppelt. Dieses Getriebe umfasst ein Antriebsritzel 407, das auf einer Antriebswelle des Elektromotors 405 angeordnet ist.
Dieses Antriebsritzel 407 kämmt mit einem Zahnkranz 408, der mit dem zweiten Gelenkteil fest verbunden ist.
[0046] Um auch bei unbestromtem Elektromotor eine Bewegung von erstem Gelenkteil 401 und zweitem Gelenkteil 402 freigeben oder unterbinden zu können, ist in dem Drehgelenk 119 eine Magnetbremse 409 vorgesehen.
[0047] Das Drehgelenk 119 umfasst weiter einen Stellungsgeber 410, der ein Spannungssignal bereitstellt, das einer momentanen Stellung des Zahnkranzes 408 am zweiten Gelenkteil 402 des Drehgelenks 119 entspricht.
[0048] Anhand der Fig. 5 bis 7 ist erläutert, wie mit dem Elektromotor in den Drehgelenken ein an den Drehgelenken 111 oder 119 aus Fig. 1 auftretendes Last-Drehmoment kompensiert werden kann.
[0049] Hierzu zeigt die Fig.
5 schematisch ein Drehmoment 501, das an einem Drehgelenk 502 aufgrund einer Last mit Schwerpunkt 503, die mit einem Hebelarm 504 an dem Drehgelenk 502 aufgenommen ist, auftritt, weil diese Last einer Gewichtskraft 505 ausgesetzt ist. Als Funktion des Winkels zwischen der Gewichtskraft 505 und dem Hebelarm 504 ergibt sich eine in Fig. 6 dargestellte Abhängigkeit des Betrags des im Drehgelenk 502 auftretenden Drehmoments D.
[0050] Es gilt:
D = IMg sin ,
wobei:
1 : die Länge des resultierenden Hebelarms
M : die Masse des Schwerpunkts,
g : die Erdbeschleunigungskonstante, und
: der Winkel zwischen Hebelarm und der Richtung der Gewichtskraft ist.
[0051] Indem der Elektromotor in den Drehgelenken 111 und 119 der Haltevorrichtung 101 aus Fig. 1 so bestromt wird, dass er ein in den Drehgelenken auftretendes Last-Drehmoment kompensiert, wird an den Drehgelenken ein Gleichgewichtszustand eingestellt.
[0052] Zur automatischen Einstellung eines solchen Gleichgewichtszustandes ist der Elektromotor in diesen Drehgelenken entsprechend einer in der Fig. 7 gezeigten Schaltungsanordnung beschaltet. Die Schaltungsordnung 701 hat eine Motorsteuereinheit 702, die mit dem Elektromotor 703 verbunden ist.
Der Motorsteuereinheit 702 werden Signale von einem Stellungsgeber 704 zugeführt, der als Winkelsensor oder als Encoder ausgebildet ist. Dieser Stellungsgeber 704 gibt eine momentane Winkelstellung des Drehgelenks an. Entsprechend einer momentan erfassten Winkelstellung des Drehgelenks wird eine in einem elektronischen Speicher 705 abgelegte Stromsteuerkurve ausgelesen. Diese Stromsteuerkurve entspricht dem bei jeder Stellung des Drehgelenks erforderlichen Stromwert für Drehmomentausgleich durch den Elektromotor.
[0053] Wird also die Stellung des Operationsmikroskops 103 aus Fig. 1 so verändert, dass die Drehgelenke 111 oder 119 mit Elektromotor bewegt werden, so steuert die betreffende Motorsteuereinheit den Motorstrom entsprechend der momentanen Drehgelenkstellungen derart, dass es in den Drehgelenken zu einem Drehmomentausgleich kommt.
Hierfür wird für jedes Drehgelenk 111, 119 mit Elektromotor eine in betreffenden elektronischen Speichern abgelegte Stromsteuerkurve ausgelesen. Diese Stromsteuerkurve hängt von der Stellung der beiden Drehgelenke 111, 119 und von der Masseverteilung des an der betreffenden Haltevorrichtung aufgenommenen medizinisch-optischen Instruments ab. Wird diese Masseverteilung verändert, beispielsweise indem an das medizinisch-optische Instrument Peripheriegeräte angeschlossen werden, so muss für Drehmomentausgleich in Drehgelenken auf eine modifizierte Stromsteuerkurve zugegriffen werden.
[0054] Eine solche Stromsteuerkurve kann grundsätzlich auf einfache Weise ermittelt werden.
Hierzu wird der zur Bewegung der Haltevorrichtung um die betreffenden Drehgelenke mittels Elektromotor erforderliche Strom als Funktion der momentanen Stellung dieser Drehgelenke erfasst und in dem betreffenden elektronischen Speicher abgelegt. Dabei wird beispielsweise das Drehgelenk 111 in eine bekannte Position bewegt und anschliessend die Stromsteuerkurve für das Drehgelenk 119 aufgenommen. In einem nächsten Schritt wird dann das Drehgelenk 119 in eine bekannte Position verfahren und dann die entsprechende Stromsteuerkurve für das Drehgelenk 111 ermittelt.
Aus den so ermittelten Stromkurven kann dann mittels trigonometrischer Funktionen ein zweidimensionaler Stromdatensatz für Gleichgewicht in einer jeden Stellung der Drehgelenke 111 und 119 bestimmt werden.
[0055] Um einen Servobetrieb des Elektromotors 703 für ein Drehgelenk einer beschriebenen Haltevorrichtung zu ermöglichen, sind der Motorsteuereinheit 702 Servoschalter 706 zugeordnet.
Ein solcher Servobetrieb kann beispielsweise für eine Feinjustage des medizinisch-optischen Instruments an der Haltevorrichtung von Vorteil sein.
[0056] Anhand von Fig. 8 und Fig. 9 ist eine weitere Methode zum Ermitteln einer Stromsteuerkurve für Drehmomentausgleich an einem Drehgelenk einer Haltevorrichtung beschrieben.
[0057] Die Fig. 8 zeigt ein Drehgelenk 800 einer Haltevorrichtung, das eine um eine Achse 801 drehbar gelagerte Masse in Form eines medizinisch-optischen Instruments 802 trägt. Das medizinisch-optische Instrument 802 erfährt eine Schwerkraft in Richtung des Pfeils 803. Diese Schwerkraft ruft in der Achse 801 des Drehgelenks 800 ein Last-Drehmoment 804 hervor. Zur Kompensation dieses Last-Drehmoments 804 ist dem Drehgelenk 800 ein Antriebseinheit mit Elektromotor 805 zugeordnet.
Der Elektromotor 805 ist mittels eines Getriebes 806 an die Achse 801 des Drehgelenks gekoppelt und vermag so, das medizinisch-optische Instrument 802 in Richtung der Pfeile 807, 808 zu bewegen. Bei einer Bewegung des medizinisch-optischen Instruments 802 treten im Allgemeinen am Drehgelenk 800 Reibungskräfte und Beschleunigungskräfte auf. Diese Kräfte erweisen sich insbesondere als davon abhängig, in welcher Richtung das medizinisch-optische Instrument 802 am Drehgelenk 800 verstellt wird.
[0058] Die Fig. 9 zeigt in einem Graphen 903 eine erste Motorstromkurve 901 einen Motorstrom für den Elektromotor 805 aus Figur 8 in Abhängigkeit der Winkelstellung des Drehgelenks 800 aus Figur 8, um das medizinisch-optische Instrument 802 in Richtung des Pfeils 807 zu bewegen.
Eine Motorstromkurve 902 entspricht dem Motorstrom des Elektromotors 805 aus Fig. 8, der erforderlich ist, um das medizinisch-optische Instrument in Richtung des Pfeils 803 aus Fig. 8 zu bewegen.
[0059] Die Motorstromkurven 901 und 902 erweisen sich messungsbedingt als verrauscht und sind parallel zur Abszisse des Graphen 903 verschoben. Durch Bilden eines Mittelwertes der Motorstromkurve 901 und 902 mittels geeigneter mathematischer Mittelungsalgorithmen ergibt sich eine unverrauschte Motorstromkurve 904. Diese Motorstromkurve 904 entspricht einem mittels des Elektromotors 805 aus Fig. 8 erzeugbaren Drehmoments beim Drehgelenk 800, das für eine gegebene Drehgelenkstellung an einen exakten statischen Drehmomentausgleich ermöglicht.
Diese Motorstromkurve ist nämlich weder durch Reibungs- noch durch Beschleunigungskräfte verfälscht, da der Beitrag dieser Kräfte durch Bilden des entsprechenden Mittelwertes eliminiert wurde.
[0060] Um eine geeignete Motorstromkurve für Drehmomentausgleich zu berechnen, ist es dabei nicht erforderlich, das medizinisch-optische Instrument 802 am Drehgelenk 890 aus Fig. 8 im Winkelbereich 0 <= <= 2pi um die Achse des Drehgelenks 801 zu bewegen.
[0061] Da bekannt ist, dass das statische Last-Drehmoment bei dem Drehgelenk der anhand von Fig. 6 erläuterten Beziehung genügt, ist es nämlich mittels geeigneter mathematischer Algorithmen möglich, aus dem erfassten Verlauf der Motorstromkurven in einem Winkelbereich 905 oder 906 in Fig. 9 auf eine Motorstromkurve im Winkelbereich 0 < < 2pi zu schliessen.
[0062] Die Fig.
10 zeigt eine an einer Haltevorrichtung 1000 aufgenommenes Operationsmikroskop 1001. Das Operationsmikroskop 1001 ist an der Haltevorrichtung 1000 und eine Achse 1002 drehbar gelagert und kann dort in den mit dem Pfeil 1003 angedeuteten Winkelbereich verstellt werden. Zum Ausgleich von Last-Drehmomenten in beliebigen Winkelstellungen des Operationsmikroskops 1001 ist ein Elektromotor 1004 vorgesehen, der mittels eines Getriebes auf das Operationsmikroskop 1001 wirkt.
[0063] Zur Aufnahme einer geeigneten Motorstromkurve für Drehmomentausgleich ist es hier ausreichend, das Operationsmikroskop 1001 beispielsweise im Bereich einer der mit den Pfeilen 1005, 1006 oder 1007 angedeuteten Winkelbereichen zu bewegen.
Damit kann, selbst wenn eine Bewegung des Operationsmikroskops 1001 um die Achse 1002 aufgrund von angeschlossenen Zusatzgeräten eingeschränkt ist, eine über den gesamten zugänglichen Winkelbereich passende Motorstromkurve für Drehmomentausgleich bestimmt werden.
[0064] Die Fig. 11 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung zur Steuerung mehrerer Elektromotoren in einer Schaltungsanordnung mit mehreren Drehgelenken. Die Schaltungsordnung 1101 hat eine Motorsteuereinheit 1102, die mit Elektromotoren 11031, 11032, ..., 1103n verbunden sind. Diese Elektromotoren 11031, 11032, ..., 1103n sind Drehgelenken 11041, 11042, ..., 1104n zugeordnet. Jedes Drehgelenk mit Elektromotor umfasst einen Stellungsgeber oder Encoder, mit dem die momentane Winkelstellung des Drehgelenks bestimmt werden kann.
Eine mehrdimensionale Stromsteuerkurve, die als Grundlage zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes bei einer Haltevorrichtung mit entsprechend vielen Drehgelenken herangezogen werden kann, lässt sich bestimmen, indem zunächst die Winkelstellung aller Drehgelenke 11041, 11042, ..., 1104n ermittelt wird. Bei bekannter Stellung der Drehgelenke 11042, ..., 1104n wird dann eine Stromsteuerkurve wie anhand von Fig. 7 beschrieben für den Elektromotor 11031 des Drehgelenks 11021 aufgenommen und als n-dimensionaler Datensatz in einem elektronischen Speicher 1105 abgelegt.
Anschliessend wird eine entsprechende Stromkurve für das Drehgelenk 11032 bei bekannter Stellung der übrigen Drehgelenke aufgenommen, und so weiter.
[0065] Nach dem Ermitteln eines Stromkurvensatzes kann durch Umrechnen mit entsprechenden trigonometrischen Funktionen für alle Drehgelenke 11031, 11032, ..., 1103n bei bekannter Winkelstellung aller Drehgelenke ein Stromdatensatz berechnet werden, der für jeden Elektromotor 11031, 11032, ..., 1103n.einen Strom für Gleichgewicht angibt.
[0066] Die Fig. 12 zeigt eine als Manipulator 1200 ausgebildete Haltevorrichtung mit mehreren Drehgelenken. Die Haltevorrichtung umfasst einen Lenker 1201, der an einer Ständereinheit 1202 angeordnet ist und dort mit Drehachsen 1203 und 1204, denen Elektromotoren 1205 und 1206 zugeordnet sind, bewegt werden kann.
Der Lenker 1201 ist über ein Drehgelenk 1207 mit dem Lenker 1208 verbunden. Über ein Drehgelenk 1209 hält dieser Lenker 1208 wiederum einen Lenker 1210. An diesem Lenker 1210 befindet sich an einem Drehgelenk 1211 eine Instrumentenaufnahmeeinheit 1212 mit einer Einheit zur Aufnahme eines Werkzeugs in Form eines Instrumentenhalters 1213. Der Instrumentenhalter 1213 hält als medizinisches Instrument ein Operationswerkzeug 1220.
[0067] An der Instrumentenaufnahmeinhalt 1212 ist ein Handgriff 1214 vorgesehen, mit dem eine nicht dargestellte Bedienperson den Manipulator 1200 steuern kann. An den Drehgelenken 1207, 1209 und 1211 sind jeweils Elektromotoren 1215, 1216 und 1217 angeordnet. Die Ständereinheit 1202 selbst befindet sich auf einer Ständerkonsole 1218 und kann dort um eine vertikale Achse 1219 gedreht werden.
Mit dem Handgriff 1214 ist es einer Bedienperson möglich, das am Instrumentenhalter 1213 aufgenommene Instrument 1220 entsprechend der mit Pfeilen 1221, 1222, 1223 und 1224 angedeuteten Richtungen zu bewegen.
[0068] An den Drehgelenken des Manipulators 1200 sind Winkelgeber 1225, 1226, 1227 und 1228 vorgesehen, mittels derer die momentane Stellung der Drehgelenke erfasst wird. Die Signale der Winkelgeber 1225, 1226, 1227 und 1228 werden einer Steuervorrichtung 1229 zugeführt, welche die Elektromotoren 1215, 1216 und 1217 entsprechend der anhand von Fig. 11 erläuterten Weise für Drehmomentausgleich steuert. Dies gestattet einer Bedienperson, über den Handgriff 1214 den Manipulator 1200 entsprechend der mit den Pfeilen 1221, 1222, 1223 und 1224 angedeuteten Richtungen kräftefrei zu führen.
[0069] Die Fig. 13 zeigt schematisch eine im Vergleich zu Fig. 7 bzw.
Fig. 11 modifizierte Schaltungsanordnung 1301 zur Steuerung eines Elektromotors 1303 in einem Drehgelenk der als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung aus Fig. 12.
[0070] Die Schaltungsanordnung 1301 umfasst eine Motorsteuereinheit 1302, die mit dem Elektromotor 1303 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 1301 enthält weiter einen Stellungsgeber 1304, welcher der Motorsteuereinheit 1302 eine Information über die momentane Stellung des Drehgelenks mit dem Elektromotor 1303 zuführt. Entsprechend der Schaltungsanordnung 701 auf Fig. 7 weist die Schaltungsanordnung 1301 einen elektronischen Speicher 1305 auf, in dem eine Stromsteuerkurve abgelegt ist. Die Stromsteuerkurve trägt die Information eines für Drehmomentausgleich erforderlichen Stromes für den Elektromotor an dem betreffenden Drehgelenk als Funktion der Drehgelenkstellung.
Diese Stromsteuerkurve kann beispielsweise als mathematische Funktion oder als Wertetabelle abgespeichert sein. Dabei kann vorgesehen sein, ggf. Zwischenwerte mittels einer geeigneten mathematischen Funktion zu interpolieren. Für eine momentane Drehgelenkstellung generiert die Motorsteuereinheit 1302 ein Motorsteuersignal ME für Drehmomentausgleich in dem Drehgelenk mit Elektromotor 1303.
[0071] Im Unterschied zur Schaltungsanordnung 701 aus Fig. 7 ist bei der Schaltungsanordnung 1301 zusätzlich eine Einheit zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung 1306 vorgesehen. Die Einheit zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung 1306 ist mit dem Stellungsgeber 1304 verbunden. Sie ermittelt durch zeitliches Ableiten der vom Stellungsgeber 1304 zugeführten Information über die Drehgelenkstellung die zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung.
Alternativ ist es beispielsweise aber auch möglich, die zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung durch Auswerten des Motorstromes im Elektromotor 1303 des entsprechenden Drehgelenks zu erfassen.
[0072] Die Information der zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung 1306 wird ebenfalls der Motorsteuereinheit 1302 zugeführt. Dort speist die erfasste zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung als Regelgrösse einen Regelkreis 1307, der als Stellgrösse ein Motorsteuersignal MR ausgibt. Der Regelkreis 1307 ist als PID-Regelkreis ausgebildet, dem als Sollwert der Wert
<EMI ID=3.0>
als Wert für eine gewünschte zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung vorgegeben ist.
Es sei jedoch bemerkt, dass der Regelkreis auch nach einem anderen in der Fachwelt geläufigen Regelprinzip aufgebaut sein kann.
[0073] Aufgrund des gewählten Sollwertes
<EMI ID=4.0>
entspricht das Motorsteuersignal MR einem Motorstrom im Elektromotor 1303, der einem Verstellen des Drehgelenks entgegenwirkt.
[0074] In der Motorsteuereinheit 1302 wird das vom Regelkreis 1307 ausgegebene Motorsteuersignal MR dem Motorsteuersignal ME für Drehmomentausgleich in dem Drehgelenk mit Elektromotor 1303 bei gegebener Winkelstellung überlagert.
[0075] Eine Bedienperson, die das entsprechende Drehgelenk etwa mit einem in der Fig.
12 gezeigten Handgriff 1214 verstellt, nimmt dieses Entgegenwirken des Elektromotors als einen von einer Verstellgeschwindigkeit abhängigen Verstellwiderstand entsprechend einer Trägheitskraft wahr.
[0076] Die Abhängigkeit des Verstellwiderstands von der Verstellgeschwindigkeit kann etwa durch Auswahl der Zeitkonstante bei dem PID-Regelkreis auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
[0077] Bei Verwendung entsprechender Regelkreise ist es grundsätzlich auch möglich, einer gegebenen Verstellgeschwindigkeit einen gewünschten Verstellwiderstand zuzuordnen.
[0078] Die Schaltungsanordnung 1301 ermöglicht so beispielsweise, mit dem Handgriff 1214 aus Fig.
12 ein an einer Haltevorrichtung aufgenommenes Instrument im Gleichgewicht um ein Drehgelenk zu bewegen, ohne dass hierbei von einer Bedienperson Drehmomente erzeugt werden müssen, die den Drehmomenten, die aufgrund einer Verlagerung des Massenschwerpunkts des aufgenommenen Instruments bei dem betreffenden Drehgelenk anfallen, entgegenwirken. Gleichzeitig nimmt beim Bewegen des Handgriffs die Bedienperson einen haptisch wahrnehmbaren Widerstand wahr, der beispielsweise unterbindet, dass sich Zitterbewegungen einer menschlichen Hand auf das an der Haltevorrichtung aufgenommene Instrument übertragen. Dabei müssen von einer Bedienperson bei dem Manipulator nicht vordefinierbare Kräfte und Momente, wie beispielsweise Schnitt- und Rückstellkräfte beim Schneiden von Gewebe vom Anwender selbst aufgebracht werden.
Dies ist jedoch wünschenswert, denn hierdurch hat die betreffende Bedienperson ein reales, haptisch wahrnehmbares Feedback ohne verfälschende Fremdkräfte.
[0079] Die Fig. 14 zeigt schematisch eine weitere Schaltungsanordnung 1401 zur Steuerung von mehreren Elektromotoren 14031, 14032, ... 1403n, die in entsprechenden Drehgelenken einer als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung angeordnet sind, wie sie grundsätzlich schon anhand von Fig. 11 erläutert wurde. Die Schaltungsanordnung 1401 hat eine Motorsteuereinheit 1402, die mit den Elektromotoren 14031, 14032, ... 1403n an den entsprechenden Drehgelenken verbunden ist, deren Drehgelenkstellung durch Stellungsgeber 14041, 14042, ... 1404n erfasst wird.
Entsprechend der Schaltungsanordnung 1101 aus Fig. 11 umfasst die Schaltungsanordnung 1101 einen elektronischen Speicher, in dem eine mehrdimensionale Stromsteuerkurve abgelegt ist, welche die Information eines Motorstromes für Gleichgewicht ME1, ME2, ... MEn für die Elektromotoren 14031, 14032, 1403n für eine gegebene Stellung der Drehgelenke enthält.
[0080] Im Unterschied zur Schaltungsanordnung 1101 sind bei der Schaltungsanordnung 1401 als Einheiten zum Erfassen zeitlicher Änderung der Stellung der betreffenden Drehgelenke 14061, 14062, ... 1406n vorgesehen, welche die Information einer zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung der Motorsteuereinheit 1402 zuführen.
[0081] In der Motorsteuereinheit 1402 speist diese Information als Regelgrösse Regelkreise 11071, 14072 ... 1407n, welche als Stellgrösse ein Motorsteuersignal MR1, MR2, ... MRn ausgeben.
Entsprechend der anhand von Fig. 13 erläuterten Schaltungsanordnung wirkt ein jedes der Motorsteuersignale MR1, MR2, ... MRn dem Verstellen des Drehgelenks, dem der betreffende Elektromotor 14031, 14032, ... 1403n zugeordnet ist, entgegen.
[0082] In der Motorsteuereinheit 1402 werden die von den Regelkreisen 14071, 14072, ... 1407n ausgegebenen Motorsteuersignale MR1, MR2, ... MRn, den Motorsteuersignalen ME1, ME2, ...
MEn für Drehmomentausgleich durch die Elektromotoren 14031, 14032, ... 1403n überlagert.
[0083] Die Schaltungsanordnung ermöglicht somit mit einem Manipulator als Haltevorrichtung mit mehreren Drehgelenken, die mit entsprechenden Elektromotoren angetrieben werden, über einen geeigneten Handgriff ein Instrument im Gleichgewicht zu führen, das heisst für eine Bedienperson scheinbar kräftefrei zu bewegen, ohne dass sich beispielsweise Zitterbewegungen einer menschlichen Hand auf das Instrument übertragen.
[0084] Eine als Manipulator ausgebildete Haltevorrichtung, die über eine in der Fig. 11 gezeigte Schaltungsanordnung gesteuert wird, erlaubt somit ein präzises, zitterfreies Führen von mikrochirurgischen Instrumenten, insbesondere Injektoren, Endoskopen oder Labraskopen.
Grundsätzlich kann ein solcher Manipulator in jeder Bewegungsachse mit einem elektronischen Antrieb versehen sein, der in geeigneter Weise gesteuert bzw. geregelt ist. Mit einem solchen Manipulator können beispielsweise Implantate, Permamentpharmaka, Sensoren, Aktoren oder auch Detektoren und Ähnliches an einem Patienten exakt positioniert werden.
[0085] Ein solcher Manipulator kann auch einen Tastkopf zum Vermessen von Werkstücken oder ein Greifwerkzeug tragen. Es ist grundsätzlich auch möglich, mit einem entsprechenden Manipulator schwere Instrumente, Gegenstände oder Werkzeuge aufzunehmen, welche dann eine Bedienperson feinmotorisch bewegen kann.
Beispielsweise können so insbesondere schwere Gegenstände genau positioniert, fixiert oder montiert werden.
[0086] Wird für den Manipulator eine Lenkerkonstruktion gewählt, die einem Gewichtsausgleich um entsprechende Drehgelenke über eine geeignete Masseverteilung Rechnung trägt, so ist es möglich, vergleichsweise schwache Elektromotoren zur Einstellung eines Drehmomentausgleichs in den Bewegungsachsen des Manipulators einzusetzen. Dies kann grundsätzlich auch einen manuellen "Handbetrieb" des Manipulators ohne Unterstützung von Elektromotoren ermöglichen.
Insbesondere müssen hier nur die vergleichsweise geringen Momente eines schwachen Elektromotors überwunden werden.
[0087] Für das Arbeiten mit dem Manipulator kann vorgesehen sein, einen mit dem Manipulator aufzunehmenden Gegenstand beispielsweise mittels Barcode oder durch Auslösen eines Mikrochips entsprechend zu identifizieren und entsprechend einer vorbekannten Massenverteilung des aufgenommenen Gegenstands dann geeignete Motorstromsteuerkurven für Drehmomentkompensation in dem Speicher einer dem Manipulator zugeordneten Steuervorrichtung einzustellen.
[0088] Der Vollständigkeit halber sei bemerkt,
dass ein entsprechendes Werkstück oder Werkzeug als ein am Manipulator aufgenommener Gegenstand grundsätzlich auch über das Identifikationsprinzip automatischer Zufuhreinrichtungen bei Werkzeugmaschinen in Form von Magazinen oder Wechslern identifiziert werden kann.
[0089] Im Vergleich zur klassischen Robotertechnik, in der aufwändige Sensor-Aktuator-Regelungen für Servobetrieb von mittels Motoren angetriebenen Roboterarmen eingesetzt werden müssen, hat die beschriebene Haltevorrichtung den Vorteil, dass es keiner kostspieligen Kraft-Momentsensoren bedarf.
The invention relates to a holding device, in particular for a medical-optical instrument, with at least one hinge and with means for compensating a load torque, which causes the medical-optical instrument on the hinge.
Such a holding device is known from DE 4 231 516 C2. There is an adjustable tripod for a surgical microscope described. The tripod has a first and a second pivot. Each of these hinges is assigned an elastic energy store. The elastic energy store contains a torsion spring whose bias can be adjusted.
The elastic energy accumulators generate a compensation torque, which counteracts a load torque in the pivot joints caused by the surgical microscope received on the stand.
In DE 4 320 443 C2, a holding device for a medical-optical instrument is described, are provided in the motor-adjustable balancing weights to compensate occurring in axes of rotation of the holding device load torques.
US 5,642,220 discloses a holding device for a medical-optical instrument in which a linear spring unit or a gas pressure cylinder is provided for generating a counter torque for the compensation of load torques. The linear spring unit or the gas pressure cylinder act on a lever arm. By a point of application of gas cylinder or
Linear spring unit is varied, a desired compensation torque can be adjusted.
In US 5,402,582 a holding device for receiving a probe for measuring workpieces is described. The holding device comprises a multi-jointed support arm. In the joints of the support arm torsion springs are provided. These torsion springs generate torques that counteract load torques in these joints.
DE 4 202 922 A1 discloses a motorized tripod with a surgical microscope as a holding device for a medical-optical instrument. This tripod has a support column, which is mounted on a stand and can be rotated about a vertical axis. At this support column a mehrgelenkiger support arm is arranged, which has four hinges with motor drives. These motor drives are assigned a control unit.
The control unit is connected to angle encoders, which are arranged on the pivot joints. The control unit is given the desired position of a specific rotary joint. According to the predetermined joint position of a rotary joint, the drives of the holding device are then energized in order to move a certain Tragarmabschnitt on a rotary joint in a desired angular position.
From EP 1 152 182 A1 a surgical microscope with a stand is known, which has a substantially horizontally extending motor-adjustable pivot axis.
In this pivot axis is a stepper motor, which is controlled by means of a control element, in which force or torque sensors are provided, and enables a servo adjustment of the recorded on this axis surgical microscope.
The object of the invention is to provide a holding device in which a state of equilibrium for the force-free movement of a recorded on the holding device instrument can be adjusted by a hinge and beyond a servo-controlled movement of the instrument about this axis of rotation is possible.
This object is achieved by a holding device of the type mentioned, in which the means for balancing the load torque comprise an electric motor,
which is combined with means for detecting the position of the rotary joint and can be energized in response to a detected hinge position for generating a load torque balancing counter-torque. For this purpose, a control unit is provided which adjusts the required motor current. To compensate for the load torque, the control unit associates a detected rotational joint value with a value for a motor current that is output to the electric motor and that causes the electric motor to generate a counter-torque that balances the load torque applied to the pivot.
In this way, a compactly constructed holding device is provided, which can be tilted and swiveled by a motor and is easily adaptable to different configurations of a medical-optical instrument for torque compensation.
In a further development of the invention, the rotary joint is associated with a brake. In this way it can be ensured that the holding device does not move when the electric motor is not energized.
In a further development of the invention, the electric motor is coupled by means of a gear with the rotary joint. In this way, a precise adjustment of a state of equilibrium in the holding device is made possible.
In a further development of the invention, the electric motor has a drive axle which is offset from a rotational axis of the rotary joint.
In this way, space for connection devices to the medical-optical instrument is created in the holding device and it is for example possible to make an optical beam extraction in the respective axis of rotation.
In a further development of the invention, the means for detecting the position of the rotary joint on an encoder of the electric motor or a position transmitter. In this way, a momentary position of the rotary joint can be determined precisely.
In a further development of the invention, the control unit of the electric motor is associated with an electronic memory in which a current-rotation joint position curve or a table is stored with matching current values and pivot positions.
In this way, a rapid assignment of required current value can be ensured for a given position of the medical-optical equipment.
In a further development of the invention, at least two rotary joints are provided with means for compensating a load torque. In this way it is made possible that medical-optical equipment accommodated on the holding device can be moved without force in accordance with a plurality of degrees of freedom of movement.
In a further development of the invention means are provided for detecting a temporal change in the position of the rotary joint in the holding device. These means preferably detect a temporal change of the pivot position by mathematically deriving the determined pivot position after the time.
The determined change in the rotary joint position is then fed as a control variable to a control circuit which outputs a motor current for the electric motor at the rotary joint as the manipulated variable. This motor current is superimposed on the motor current for torque compensation, so that the motor generates an additional torque, which counteracts a determined change in the pivot position.
With such a control loop, it is possible to simulate an operator an inertial effect. Thus, for example, in the case of a holding device designed as a manipulator, it is possible to prevent the trembling of a human hand, which carries an instrument recorded on the holding device, from being transmitted to the instrument itself.
At the same time, such a control loop makes it possible for non-predefinable forces and moments, such as cutting and restoring forces in cutting elastic tissue, resection, or surgery to pick up an unknown object with a corresponding tool, from an operator as real Haptic feedback (feedback) is detected without distorting external forces.
In the field of medicine, for example, doctors are thus able to keep their hands away from an operating area. This fundamentally opens up the possibility of using radiation-intensive intraoperative imaging methods during ongoing operation operation and of treating highly infectious patients as well.
Since low-jitter, precise movements can be carried out with a holding device designed accordingly as a manipulator, preparation-intensive navigation, which is frequently used for precise interventions, is generally no longer necessary when using such a manipulator with a surgical microscope.
By appropriate active superimposition of current curves or current control curves of several electric motors of the manipulator in the weight-balanced state semi-robotic functions can be realized if necessary. For example, with proper control of critical areas of an area of operation, the user may either be kept quite aloof or he may be warned by an artificial resistance as long as he so wishes.
For this purpose, for example, the data from navigation tools, virtual 3D models or 3D webs in the corresponding motor positions can be converted to additively superposed motor currents. In the field of surgery, it is thus possible in particular to ensure that surgery is performed only in the marginal area of a tumor.
In general, compared to the classical robotics described control or
Rule principle for a holding device has the advantage that it requires no force and / or torque sensors and no complex, hard-to-control sensor actuator control must be used, the specific dynamic ranges are difficult to access.
If the mass distribution of the support arms is chosen in the holding device so that at least approximately a weight compensation is given about axes of rotation to the joints in question, comparatively weak motors can be used to adjust the holding device. These motors then have to compensate for only small moments.
In a holding device whose support arms are balanced about the axes of rotation of hinges, for example, it would only be necessary for the motors to compensate for the moments caused by an additionally received tool in the axes of rotation.
In a further development of the invention, the medical-optical instrument is added to a parallelogram with a support arm. Such a parallelogram link makes it possible to arrange the means for compensating a load torque ergonomically in the region of a stand arm above the medical-optical instrument.
Furthermore, a stable reception of the medical-optical instrument on the holding device is thus ensured.
In a method for determining a current control curve for setting a state of equilibrium in a holding device according to the invention, the at least one rotary joint is moved by means of the electric motor about an axis of the rotary joint, which determines the required power to move the rotary joint of the electric motor, the instantaneous position of the rotary joint determines and determines the determined power consumption depending on the hinge position in an electronic memory stored as a current control curve.
In this way, in the holding device for different configurations of medical-optical equipment, a state of equilibrium can be set.
It is also possible to determine a current control curve by the at least one rotary joint by means of the electric motor moves in a first direction, wherein the required to move the rotary joint power requirement of the electric motor is determined in dependence on the position of the rotary joint, and thereon the at least one rotary joint is moved in a second direction opposite to the first direction by means of the electric motor,
wherein the required to move the rotary joint power requirement of the electric motor is determined in dependence on the position of the rotary joint.
Preferably, then an average value of the required power for moving the at least one rotary joint in the first direction and the power required for moving the at least one rotary joint in the second direction power requirement is calculated and stored as a function of the pivot position in an electronic memory as a current control curve ,
In this way it is possible to generate a current control curve, which is not associated with errors due to frictional forces in the relevant swivel joint.
For determining the current control curve of the at least one rotary joint, it is sufficient to move with the electric motor, the rotary joint via a rotation angle section delta, for example.
<EMI ID = 2.0>
because it can from a portion of a detected current control curve on the entire course of the current control curve in the angular range 0th <= <= 2 pi, which corresponds to a full revolution of the rotary joint, are closed. In this way, it is possible within a short time, possibly in a few seconds, a desired current curve or
To record current control curve for the swivel joint.
By detecting a current position of the rotary joint in the holding device and the electric motor is energized according to a current control curve stored in a memory, a state of equilibrium for the medical optical equipment can be prepared by a current value of a certain position of the rotary joint for the electric motor is assigned for torque compensation.
It is also also possible to determine a momentary change in the position of the rotary joint and then output a change of the position of the rotary joint counteracting current to the electric motor.
If a plurality of rotary joints are provided in the holding device, which have means for compensating a load torque with an electric motor, an equilibrium state can be set,
by determining an instantaneous position of a first rotary joint, determining a current position of a second rotary joint, and energizing an electric motor associated with the first rotary joint and an electric motor associated with the second rotary joint according to a two-dimensional current control curve stored in a memory.
In this case, the current control curve assigns a current value for torque compensation to the electric motors of the swivel joints in accordance with the determined instantaneous position of the swivel joints.
In order to determine a corresponding two-dimensional current control curve for setting a state of equilibrium in a holding device, the position of a first rotary joint is detected, in a known position of the first rotary joint, a second rotary joint by means of the second rotary joint associated with the electric motor moves about its axis, and then determined the required to move the second pivot power requirement of the electric motor. Then, the current position of the second rotary joint is detected and stored the specific power demand in dependence on the position of the second rotary joint in an electronic memory as the first current control curve.
Subsequently, in a known position of the second rotary joint, the first rotary joint is moved about its axis by means of the associated electric motor, wherein the movement required for movement of the electric motor determined according determines the instantaneous position of the first rotary joint, and then the determined power requirement as a function of the position of the second rotary joint is stored in an electronic memory as a second current control curve.
Corresponding methods can be used to set a state of equilibrium in a holding device with three and more hinges by appropriate three or more multi-dimensional current control curves for electric motors associated with the swivel joints, determined or
be used to drive the electric motors.
In a designed as a manipulator holding device must be ensured that for each newly recorded instrument, tool or workpiece either a prior calibration of position-dependent motor currents is made or for each recorded object corresponding identifications together with the absolute or additive position-dependent compensation motor current curves can be retrieved from an electronic memory. For this purpose, objects to be recorded with the holding device can be provided with a bar code or a microchip with an automatic identification.
In addition, it is possible to use the methods of tool identification known from the manufacturing industry, as are known in automatic feeders in machine tools.
Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described below.
[0034] In the drawings:
<Tb> FIG. 1 <sep> a holding device for a surgical microscope as a medical-optical instrument in a first position;
<Tb> FIG. 2 <sep> the holding device of Figure 1 in a second position.
<Tb> FIG. 3 <SEP> schematically a first hinge of the holding device of Fig. 1;
<Tb> FIG. 4 <SEP> schematically a second pivot of the holding device of Fig. 1;
<Tb> FIG. 5 <sep> the occurrence of a torque in a hinge of the holding device of Fig. 1;
<Tb> FIG. 6 <sep> the relationship between pivot position and a torque occurring at the relevant rotary joint;
<Tb> FIG. 7 schematically a circuit arrangement for controlling an electric motor in a rotary joint of the holding device of Fig. 1;
<Tb> FIG. 8th <SEp> schematically a swivel joint with medical-optical instrument and electric motor;
<Tb> FIG. 9 <sep> Motor current curves of the electric motor in the rotary joint of Fig. 8;
<Tb> FIG. 10 <sep> a holding device with surgical microscope;
<Tb> FIG. 11 schematically a circuit arrangement for controlling a plurality of electric motors in a circuit arrangement with a plurality of swivel joints;
<Tb> FIG. 12 <sep> designed as a manipulator holding device;
<Tb> FIG. 13 schematically a circuit arrangement with control circuit for controlling an electric motor in a rotary joint of the manipulator designed as holding device of FIG. 9; and
<Tb> FIG. 14 <sep> a circuit arrangement with control circuits for controlling electric motors in a plurality of hinges of a holding device.
Fig. 1 shows a holding device 101 with a parallelogram link 102 to which a surgical microscope 103 is taken as a medical-optical equipment. The holding device 101 is fastened by means of a support arm 104 to a stand, not shown. At this support arm 104, the holding device 101 can be rotated about a vertical axis of rotation 105.
The parallelogram link 102 includes links 106 to 110 with pivots 111 to 117.
The rotary joint 111 is associated with a first electric motor. This electric motor enables a controlled movement of the parallelogram link 102 about a horizontal axis of rotation 118.
During this movement, the surgical microscope is pivoted laterally.
On the handlebar 110, a further pivot 119 is received with a rotation axis 120. Also, this pivot 119 is associated with an electric motor. With this electric motor, a tilting movement of the surgical microscope 103 can be controlled about the rotation axis 120.
Fig. 2 shows the holding device 101 of FIG. 1 in a deflected Parallelogrammlenkerstellung. The units of the holding device in Fig. 2 are designated by the same reference numerals, which were also used in Fig. 1. The surgical microscope 103 in FIG. 2 is pivoted laterally relative to the position of the surgical microscope in FIG. 1.
3 shows schematically the pivot 111 of the holding device 101 of FIG. 1.
The hinge 111 has a first hinge part 301 and a second hinge part 302 which can be moved relative to the hinge part 301. The joint part 302 is mounted with bearing units 303 and 304 on the hinge part 301. The rotary joint 111 is associated with an electric motor 305, which is connected by means of a shaft 306 with the hinge part 302. With the electric motor 305, a torque can be generated, which is introduced into the second joint part 302 of the rotary joint 111.
The electric motor 305 has an encoder 307. This encoder 307 provides a voltage signal from which a current position of the electric motor and thus the shaft 306 can be derived with a suitable signal processing unit.
From the voltage signal of the encoder 307 thus the position of the rotary joint 111 can be determined.
In the rotary joint 111, a magnetic brake 308 is further provided, depending on the activation, a movement of the second joint part relative to the first joint part releases or prevents.
With the torque that the electric motor 305 provides, either a load torque applied to the second hinge part 302 can be compensated or the hinge part 302 can be moved in accordance with the drive of the electric motor 305.
4 shows schematically the further rotary joint 119 of FIG. 1. As well as the rotary joint 111, the rotary joint 119 is associated with an electric motor 405, with which a voltage applied to a joint part 402 torque can be compensated. The electric motor 405 is held in a first joint part 401 of the rotary joint 119.
The hinge 119 further comprises bearing units 403 and 404, which allow a movement of the second hinge part 402 to the first hinge part 401.
The electric motor 405 is coupled to the second joint part 402 via a gear 406. This transmission comprises a drive sprocket 407 which is arranged on a drive shaft of the electric motor 405.
This drive pinion 407 meshes with a ring gear 408 which is fixedly connected to the second hinge part.
In order to be able to release or prevent movement of the first joint part 401 and the second joint part 402 even when the electric motor is not energized, a magnetic brake 409 is provided in the rotary joint 119.
The hinge 119 further includes a position sensor 410, which provides a voltage signal corresponding to a current position of the ring gear 408 on the second hinge part 402 of the rotary joint 119.
It is explained with reference to FIGS. 5 to 7, as can be compensated with the electric motor in the pivot joints occurring at the pivot joints 111 or 119 of FIG. 1 load torque.
For this purpose, FIG.
FIG. 5 schematically shows a torque 501 occurring at a pivot 502 due to a center of gravity load 503 received with a lever arm 504 on the pivot 502 because this load is subjected to a weight force 505. As a function of the angle between the weight 505 and the lever arm 504, a dependency of the magnitude of the torque D occurring in the pivot 502 is shown in FIG.
The following applies:
D = IMg sin,
in which:
1: the length of the resulting lever arm
M: the mass of the center of gravity,
g: the gravitational acceleration constant, and
: the angle between the lever arm and the direction of the weight is.
By the electric motor in the pivot joints 111 and 119 of the holding device 101 of FIG. 1 is energized so that it compensates for a load torque occurring in the swivel joints, an equilibrium state is set at the swivel joints.
For automatic adjustment of such equilibrium state of the electric motor is connected in these hinges corresponding to a circuit arrangement shown in FIG. 7. The circuit arrangement 701 has a motor control unit 702 connected to the electric motor 703.
The motor control unit 702 is supplied with signals from a position sensor 704, which is designed as an angle sensor or as an encoder. This position sensor 704 indicates a momentary angular position of the rotary joint. In accordance with a currently detected angular position of the rotary joint, a current control curve stored in an electronic memory 705 is read out. This current control curve corresponds to the current value required for each position of the rotary joint for torque compensation by the electric motor.
Thus, if the position of the operating microscope 103 of FIG. 1 is changed such that the pivots 111 or 119 are moved by an electric motor, then the relevant engine control unit controls the motor current corresponding to the instantaneous pivot positions such that a torque compensation occurs in the pivots ,
For this purpose, a current control curve stored in respective electronic memories is read out for each rotary joint 111, 119 with an electric motor. This current control curve depends on the position of the two pivot joints 111, 119 and on the mass distribution of the medical-optical instrument received at the respective holding device. If this mass distribution is changed, for example by connecting peripherals to the medical-optical instrument, then a modified current control curve must be accessed for torque compensation in rotary joints.
Such a current control curve can basically be determined in a simple manner.
For this purpose, the power required to move the holding device about the respective hinges by means of electric motor current is detected as a function of the instantaneous position of these hinges and stored in the relevant electronic memory. In this case, for example, the rotary joint 111 is moved into a known position and then the current control curve for the rotary joint 119 is received. In a next step, the rotary joint 119 is then moved into a known position and then the corresponding current control curve for the rotary joint 111 is determined.
From the current curves thus determined, a two-dimensional current data set for equilibrium in each position of the pivots 111 and 119 can then be determined by means of trigonometric functions.
In order to enable a servo operation of the electric motor 703 for a rotary joint of a described holding device, the motor control unit 702 associated with servo switch 706.
Such a servo operation can be advantageous, for example, for a fine adjustment of the medical-optical instrument on the holding device.
A further method for determining a current control curve for torque compensation at a rotary joint of a holding device is described with reference to FIGS. 8 and 9.
8 shows a rotary joint 800 of a holding device, which carries a mass rotatably mounted about an axis 801 in the form of a medical-optical instrument 802. The medical optical instrument 802 experiences a gravitational pull in the direction of the arrow 803. This gravitational force causes a load torque 804 in the axis 801 of the pivot joint 800. To compensate for this load torque 804, a drive unit with electric motor 805 is associated with the rotary joint 800.
The electric motor 805 is coupled by means of a gear 806 to the axis 801 of the rotary joint and is thus able to move the medical-optical instrument 802 in the direction of the arrows 807, 808. Upon movement of the medical-optical instrument 802, frictional forces and acceleration forces generally occur at the pivot 800. These forces prove to be particularly dependent on the direction in which the medical-optical instrument 802 is adjusted at the pivot 800.
FIG. 9 shows in a graph 903 a first motor current curve 901 a motor current for the electric motor 805 from FIG. 8 as a function of the angular position of the rotary joint 800 from FIG. 8 in order to move the medical-optical instrument 802 in the direction of the arrow 807 ,
A motor current waveform 902 corresponds to the motor current of the electric motor 805 of FIG. 8 required to move the medical optical instrument in the direction of the arrow 803 of FIG. 8.
The motor current curves 901 and 902 prove to be noisy due to the measurement and are shifted parallel to the abscissa of the graph 903. By taking an average of the motor current waveforms 901 and 902 by means of appropriate mathematical averaging algorithms, an unrestrained motor current waveform 904 results. This motor current waveform 904 corresponds to a torque generated at the swivel 800 by the electric motor 805 of Figure 8, which allows accurate static torque balance for a given pivot position ,
Namely, this motor current curve is not distorted by either friction or acceleration forces, since the contribution of these forces has been eliminated by forming the corresponding mean value.
In order to calculate a suitable motor current curve for torque compensation, it is not necessary for the medical-optical instrument 802 at the swivel joint 890 from FIG. 8 to be in the angular range 0 <= <= 2pi to move about the axis of the rotary joint 801.
Since it is known that the static load torque at the rotary joint satisfies the relationship explained with reference to FIG. 6, it is possible by means of suitable mathematical algorithms to determine from the detected curve of the motor current curves in an angular range 905 or 906 in FIG. 9 on a motor current curve in the angular range 0 < <2pi to close.
FIG.
FIG. 10 shows a surgical microscope 1001 accommodated on a holding device 1000. The surgical microscope 1001 is rotatably mounted on the holding device 1000 and an axis 1002 and can there be adjusted in the angular range indicated by the arrow 1003. To compensate for load torques in any desired angular positions of the surgical microscope 1001, an electric motor 1004 is provided, which acts on the surgical microscope 1001 by means of a transmission.
In order to receive a suitable motor current curve for torque compensation, it is sufficient in this case to move the surgical microscope 1001, for example, in the region of one of the angular ranges indicated by the arrows 1005, 1006 or 1007.
Thus, even if a movement of the operation microscope 1001 around the axis 1002 is restricted due to connected accessories, a motor current curve for torque compensation which is appropriate over the entire accessible angular range can be determined.
Fig. 11 shows schematically a circuit arrangement for controlling a plurality of electric motors in a circuit arrangement with a plurality of swivel joints. The circuit arrangement 1101 has a motor control unit 1102 connected to electric motors 11031, 11032,..., 1103n. These electric motors 11031, 11032,..., 1103n are associated with hinges 11041, 11042,..., 1104n. Each swivel with electric motor includes a position sensor or encoder, with which the instantaneous angular position of the swivel joint can be determined.
A multi-dimensional current control curve, which can be used as a basis for setting a state of equilibrium in a holding device with a corresponding number of hinges can be determined by first the angular position of all pivots 11041, 11042, ..., 1104n is determined. If the pivots 11042,..., 1104n are in a known position, then a current control curve is recorded as described with reference to FIG. 7 for the electric motor 11031 of the rotary joint 11021 and stored as an n-dimensional data set in an electronic memory 1105.
Subsequently, a corresponding current curve for the rotary joint 11032 is recorded at a known position of the other rotary joints, and so on.
After determining a current set of curves can be calculated by converting with appropriate trigonometric functions for all pivots 11031, 11032, ..., 1103n with known angular position of all hinges a current data set for each electric motor 11031, 11032, ..., 1103n indicates a current for equilibrium.
Fig. 12 shows a designed as a manipulator 1200 holding device with a plurality of hinges. The holding device comprises a handlebar 1201, which is arranged on a stand unit 1202 and can be moved there with axes of rotation 1203 and 1204, to which electric motors 1205 and 1206 are assigned.
The handlebar 1201 is connected to the handlebar 1208 via a pivot 1207. Via a pivot 1209 this handlebar 1208 in turn holds a handlebar 1210. On this handlebar 1210 is located on a pivot 1211 an instrument receiving unit 1212 with a unit for receiving a tool in the form of an instrument holder 1213. The instrument holder 1213 holds a surgical tool 1220 as a medical instrument.
At the instrument receiving content 1212, a handle 1214 is provided, with which an operator, not shown, can control the manipulator 1200. At the pivot joints 1207, 1209 and 1211 respectively electric motors 1215, 1216 and 1217 are arranged. The stand unit 1202 itself is located on a stand bracket 1218 and can be rotated about a vertical axis 1219 there.
With the handle 1214, it is possible for an operator to move the instrument 1220 received on the instrument holder 1213 in accordance with the directions indicated by arrows 1221, 1222, 1223 and 1224.
Angle encoders 1225, 1226, 1227 and 1228 are provided on the swivel joints of the manipulator 1200, by means of which the instantaneous position of the swivel joints is detected. The signals from the angle encoders 1225, 1226, 1227 and 1228 are fed to a control device 1229, which controls the electric motors 1215, 1216 and 1217 according to the manner for torque compensation explained with reference to FIG. 11. This allows an operator, via the handle 1214, to guide the manipulator 1200 in a force-free manner according to the directions indicated by the arrows 1221, 1222, 1223 and 1224.
FIG. 13 shows schematically a comparison with FIG. 7 or FIG.
FIG. 11 modified circuit arrangement 1301 for controlling an electric motor 1303 in a rotary joint of the holding device of FIG. 12 designed as a manipulator.
The circuit arrangement 1301 comprises a motor control unit 1302 which is connected to the electric motor 1303. The circuit arrangement 1301 further contains a position transmitter 1304, which supplies the engine control unit 1302 with information about the instantaneous position of the rotary joint with the electric motor 1303. According to the circuit arrangement 701 in FIG. 7, the circuit arrangement 1301 has an electronic memory 1305 in which a current control curve is stored. The current control curve carries the information required for torque compensation current for the electric motor to the respective rotary joint as a function of the pivot position.
This current control curve can be stored, for example, as a mathematical function or as a value table. In this case, it may be provided to interpolate, if necessary, intermediate values by means of a suitable mathematical function. For a current pivot position, the engine control unit 1302 generates a motor control signal ME for torque compensation in the swivel with electric motor 1303.
In contrast to the circuit arrangement 701 from FIG. 7, the circuit arrangement 1301 additionally has a unit for detecting the time change of the pivot joint position 1306. The rotational change position detection unit 1306 is connected to the position sensor 1304. It determines by temporally deriving the information supplied by the position transmitter 1304 about the pivot position, the temporal change of the pivot position.
Alternatively, it is also possible, for example, to detect the temporal change of the pivot position by evaluating the motor current in the electric motor 1303 of the corresponding pivot joint.
The information of the temporal change of the hinge position 1306 is also supplied to the engine control unit 1302. There, the detected temporal change of the rotary joint position fed as a controlled variable a control loop 1307, which outputs a motor control signal MR as a control variable. The control loop 1307 is designed as a PID control loop, the setpoint value
<EMI ID = 3.0>
is specified as the value for a desired temporal change of the pivot position.
It should be noted, however, that the control loop can also be constructed according to another control principle known in the art.
[0073] Due to the selected setpoint
<EMI ID = 4.0>
The motor control signal MR corresponds to a motor current in the electric motor 1303, which counteracts an adjustment of the rotary joint.
In the engine control unit 1302, the engine control signal MR output from the control circuit 1307 is superimposed on the engine torque control signal ME in the swivel joint with the electric motor 1303 at a given angular position.
An operator who drives the corresponding pivoting joint about with a in FIG.
12 shown handle 1214, this counteracts the electric motor as a dependent of an adjustment speed adjustment according to an inertial force true.
The dependence of the Verstellwiderstands of the adjustment speed can be adjusted to a desired value, for example by selecting the time constant in the PID control loop.
When using appropriate control circuits, it is also possible in principle to assign a given adjustment speed to a desired adjustment resistor.
The circuit arrangement 1301 thus makes it possible, for example, with the handle 1214 from FIG.
12 to move an instrument received on a holding device in equilibrium about a pivot, without in this case by an operator torques must be generated, which counteract the torques arising due to a shift of the center of gravity of the recorded instrument at the relevant rotary joint. At the same time, when the handle is moved, the operator perceives a haptic-perceptible resistance which, for example, prevents any dithering movements of a human hand from being transmitted to the instrument received on the holding device. In this case, non-predefinable forces and moments, such as cutting and restoring forces when cutting tissue by the user himself must be applied by an operator in the manipulator.
However, this is desirable because this gives the operator concerned a real, haptic perceptible feedback without distorting external forces.
14 schematically shows a further circuit arrangement 1401 for controlling a plurality of electric motors 14031, 14032,... 1403n, which are arranged in corresponding rotary joints of a holding device designed as a manipulator, as has already been explained in principle with reference to FIG , The circuit arrangement 1401 has a motor control unit 1402, which is connected to the electric motors 14031, 14032,... 1403n at the respective pivot joints whose pivot position is detected by position sensors 14041, 14042,... 1404n.
According to the circuit 1101 of FIG. 11, the circuit 1101 includes an electronic memory in which is stored a multi-dimensional current control curve representing the information of a motor current for equilibrium ME1, ME2, ... MEn for the electric motors 14031, 14032, 1403n for a given one Position of the swivel joints contains.
In contrast to the circuit arrangement 1101 are provided in the circuit 1401 as units for detecting temporal change in the position of the respective hinges 14061, 14062, ... 1406n, which supply the information of a change with time of the pivot position of the engine control unit 1402.
In the motor control unit 1402, this information feeds control variables 11071, 14072 ... 1407n as a controlled variable, which output a motor control signal MR1, MR2,... MRN as the manipulated variable.
According to the circuit arrangement explained with reference to FIG. 13, each of the motor control signals MR1, MR2,... MRN counteracts the adjustment of the rotary joint to which the relevant electric motor 14031, 14032,.
In the engine control unit 1402, the engine control signals MR1, MR2,... MRN output from the control circuits 14071, 14072,... 1407n, the engine control signals ME1, ME2,...
Mn for torque compensation by the electric motors 14031, 14032, ... 1403n superimposed.
The circuit thus allows a manipulator as a holding device with a plurality of swivel joints, which are driven with appropriate electric motors, to guide an instrument in equilibrium via a suitable handle, that is to say for an operator seemingly force-free to move without, for example, jittering movements of a human hand transferred to the instrument.
A holding device designed as a manipulator, which is controlled via a circuit arrangement shown in FIG. 11, thus permits precise, jitter-free guiding of microsurgical instruments, in particular injectors, endoscopes or labraskopes.
In principle, such a manipulator can be provided in each movement axis with an electronic drive which is suitably controlled. With such a manipulator, for example, implants, Permamentpharmaka, sensors, actuators or detectors and the like can be accurately positioned on a patient.
Such a manipulator may also carry a probe for measuring workpieces or a gripping tool. In principle, it is also possible to use a corresponding manipulator to pick up heavy instruments, objects or tools, which can then move an operator fine motor.
For example, in particular heavy objects can be accurately positioned, fixed or mounted.
If a handlebar design is chosen for the manipulator, which takes into account a weight balance around corresponding hinges via a suitable mass distribution, it is possible to use comparatively weak electric motors for setting a torque compensation in the axes of movement of the manipulator. This can basically also allow a manual "manual operation" of the manipulator without the assistance of electric motors.
In particular, only the comparatively small moments of a weak electric motor have to be overcome here.
For working with the manipulator can be provided to identify an object to be included with the manipulator, for example by barcode or by triggering a microchip and then corresponding motor current control curves for torque compensation in the memory of the manipulator associated with a known mass distribution of the recorded item Adjust control device.
For the sake of completeness, it should be noted
that a corresponding workpiece or tool can be identified as a recorded on the manipulator object basically also on the principle of identification of automatic feeders in machine tools in the form of magazines or changers.
Compared to the classical robot technology, in which expensive sensor-actuator regulations for servo operation of motor-driven robot arms must be used, the holding device described has the advantage that it requires no expensive force-moment sensors.