DE102014005769A1

DE102014005769A1 - Handroboter für orthopädische Chirurgie und diesbezügliches Steuerverfahren

Info

Publication number: DE102014005769A1
Application number: DE102014005769.0A
Authority: DE
Inventors: Ping-Lang Yen; Shuo-Suei HUNG
Original assignee: TAIPEI TZU CHI HOSPITAL BUDDHIST TZU CHI MEDICAL FOUNDATION; National Taiwan University NTU
Current assignee: TAIPEI TZU CHI HOSPITAL BUDDHIST TZU CHI MEDICAL FOUNDATION; National Taiwan University NTU
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-07-02
Also published as: US20150182285A1; CN104739487A; CN104739487B; US9561082B2; EP2889015A1; TW201524451A; US11045264B2; TWI548388B; US20170112579A1; EP2889015B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Handroboter für die orthopädische Chirurgie sowie ein Steuerverfahren desselben. Der Handroboter der vorliegenden Erfindung weist einen Hauptkörper, einen Griff, einen kinematischen Mechanismus, einen Werkzeug-Verbinder, ein Werkzeug, einen Kraftsensor und eine Positionierungseinheit auf. Der Handroboter der vorliegenden Erfindung kombiniert die Lage/Ausrichtungs-Information des Werkzeugs, die von der Positionierungseinheit geliefert wird, mit der Kraft/Drehmoment-Information, die von dem Kraftsensor geliefert wird, und verwendet die kombinierte Information, um die Lage des Werkzeugs so einzustellen, dass das Werkzeug in dem Bereich (Bahn) eines vorbestimmten Operationsplans gehalten wird. Auf diese Weise kann die Präzision der orthopädischen Operation erhöht werden, und der Fehler, der während der chirurgischen Operation auftritt, kann auf ein Mindestmaß beschränkt werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein einen chirurgischen Roboter und insbesondere einen Roboter, der für orthopädische chirurgische Maßnahmen in der Hand gehalten wird, und sie betrifft außerdem das diesbezügliche Steuerverfahren. Der in der Hand gehaltene Roboter oder kurz gesagt Handroboter, der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, Informationen betreffend Position und Ausrichtung eines Roboterarme dazu benutzt, um Chirurgen zu unterstützen, wenn sie Knochen während der Operation positionieren, wie beispielsweise bei einer Osteotomie, oder bei chirurgischen Operationen, die von dem Chirurgen verlangen, in dem Patienten maschinelle Knochenplatten oder Knochenschrauben zu platzieren. Bei einem chirurgischen Eingriff, bei dem chirurgische Vorrichtungen Verwendung finden, um das Messen und Positionieren des Schnittes zu unterstützen, müssen Chirurgen oftmals während einer Operation chirurgische Instrumente wechseln, was zu Fehlern in der Positionierung führen kann. Dazu kommt, dass die Benutzung einer chirurgischen Vorrichtung auch von Faktoren abhängt, beispielsweise die Vertrautheit des Chirurgen mit der chirurgischen Vorrichtung, die Größe der Schwierigkeit der Operationstechnik für den Chirurgen und die klinische Erfahrung des Chirurgen. Bei der orthopädischen Chirurgie, wo Computer gestützte Navigationsprogramme zur Positionierung verwendet werden, führen die Navigationsprogramme den Chirurgen bei der Positionierung und Ausrichtung des Schneidblockes, um dadurch den Schneidblock auf den Knochen des Patienten zu montieren. Bei den gegenwärtigen Operationen müssen jedoch die Chirurgen ständig den Schneidblock manuell einstellen, um den Schneidblock, wie durch das Navigationsprogramm angewiesen, zu positionieren und zu orientieren, eine Tatsache, die den Positionierungsvorgang kompliziert. In den letzten Jahren wurden einige Lösungen entwickelt, die sich dem obigen Problem widmen. So kann beispielsweise eine Einstellschraube benutzt werden, um die Lage und Ausrichtung des Schneidblocks letztlich zu justieren. Bei dem Verfahren der Anbringung des Schneidblockes mit der Einstellschraube ist jedoch das Präzisionsergebnis immer noch ein Kompromiss, und zwar aufgrund des Fehlers, der während des Fixierungsprozesses der Einstellschraube auftritt.
Bei orthopädischen Operationen mit Bild geführten Roboterarmen werden medizinische Bilder und Roboter zur Positionierung benutzt. Bevor die Operation durchgeführt wird, benötigen Chirurgen zunächst ein computertomografisches Bild (CT), um die Operation durch Planung des Operationsweges vorzubereiten. Während der Operation wird zunächst der Knochen des Patienten ruhiggestellt, und ein Positionierungssystem wird zur Überwachung benutzt, wenn sich der Knochen bewegt. Wenn sich während der Operation der Knochen des Patienten bewegt, startet das Positionierungssystem sofort das Rekoordinierungs-Verfahren, um die Präzision und die Sicherheit der Operation zu sichern. Alternativ dazu können die Chirurgen das Positionierungssystem dazu benutzen, die Relativlage und Orientierung zwischen dem Knochen und dem Roboterarm zu messen, um eine präzise Positionierung sowie Knochenschnitt durch dynamische Bewegungskompensations-Steuerung zu bewirken. Hier ist das optische Positionierungssystem eines der gewöhnlich am meisten in der medizinischen Industrie benutzten Positionierungssysteme. Das optische Positionierungssystem verwendet eine optische Nachführungs-Vorrichtung, um Licht reflektierenden Kugeln, die auf den Knochen und dem Roboterarm angeordnet sind, anzuheften, um dadurch die Information, beispielsweise die relative Lage, die relative Ausrichtung und die relative Geschwindigkeit zwischen dem Roboterarm und dem Patienten zu bestimmen. Daraufhin benutzt der Bild geführte Roboterarm die obige Information zusammen mit einem Steuerverfahren, um festzustellen, ob die Parameter des Patienten und der Ausstattung zu dem chirurgischen Verfahren passen, und um die Lage und Ausrichtung des Werkzeugs in Bezug auf den Patienten weiter abzugleichen. Jedoch ist die Reaktions-Geschwindigkeit des Roboterarms aufgrund der Antwort-Bandbreite des optischen Positionierungssystems begrenzt, eine Tatsache, die die Genauigkeit der Operation gefährdet. Dazu kommt, dass Blockierung ein noch ernsthafteres Problem ist, die ziemlich oft in dem optischen Positionierungssystem auftritt. Wenn die Licht reflektierenden Kugeln durch Hindernisse blockiert werden, kann das optische Positionierungssystem nicht die Relativlage und Ausrichtung zwischen den Knochen und dem Roboterarm ermitteln. Das hat zur Folge, dass in einer Situation, in der nur das optische Positionierungssystem benutzt wird, um die Bewegungskompensation des Roboterarms zu unterstützen, die Lage des Roboterarms nicht rechtzeitig justiert werden kann, wodurch die Sicherheit des Patienten in Gefahr geraten kann. Darüber hinaus ist die Größe des Roboterarms im Vergleich zu dem herkömmlichen Knochen-Schneidwerkzeug zu gewaltig, wodurch für die Chirurgen Unannehmlichkeiten verursacht werden und auch ihre Anwendung Beschränkungen unterliegt.
Andererseits wird bei den herkömmlichen Steuerverfahren für Roboterarme, die medizinische Bilder und Positionierungsinformationen zur Kompensation ihrer Bewegung benutzen, um dadurch zu verhindern, dass das Werkzeug Blutgefäße, Nerven oder weiche Gewebe des Patienten beschädigen, durch das geläufige Steuerverfahren einfach der Motor abgeschaltet, wenn das vordere Ende des Werkzeugs von dem vorbestimmten Operationsbereich bzw. dem vorbestimmten Operationsweg abweicht. Derartigen Steuerverfahren fehlt die Fähigkeit, das vordere Ende des Werkzeugs innerhalb des Bereiches bzw. der Bahn des Operationsplans zu halten. Daher müssen Chirurgen die Bewegung des Roboterarms während des gesamten Operationsprozesses von Hand steuern, eine Tatsache, die sehr anstrengend sein kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Aus den obigen Gründen besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen von Hand gehaltenen Roboter, im folgenden Handroboter genannt, für orthopädische Operationen zu schaffen. Der von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Handroboter kann die relativen Positions-Ausrichtungs-Informationen zwischen einem Werkzeug und einem Knochen, welche von einer Positionierungseinheit verlangt werden, mit dem Kraft/Drehmoment-Informations-Feedback durch den Knochen, die von einem Kraftsensor verlangt werden, kombinieren, und er ist in der Lage, die kombinierten Informationen dazu zu benutzen, die Bewegung des Handroboters auf schnelle und zeitgerechte Weise abzugleichen, um dadurch das Werkzeug in dem Bereich/dem Pfad eines vorbestimmten Operationsplans zu halten. Als Folge dessen kann die Präzision der orthopädischen chirurgischen Operation verstärkt werden, und die Fehler, die während der Operation auftreten, können auf ein Mindestmaß beschränkt werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, ein Werkzeug zu schaffen, das speziell für die weitere Ermittlung einer Abweichungskraft zwischen dem Knochen und dem Werkzeug gebaut ist. Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion wird die Empfindlichkeit der Bewegungskompensation des Werkzeugs verbessert, wodurch das Werkzeug daran gehindert wird, von dem Weg des vorbestimmten Operationsplans abzuweichen.
Um die obigen Aufgaben zu erfüllen, schafft die vorliegende Erfindung einen Handroboter für orthopädische Chirurgie. Der Handroboter weist einen Hauptkörper, einen Griff, einen kinematischen Mechanismus, einen Werkzeuganschluss, ein Werkzeug, einen Kraftsensor und eine Positionierungseinheit auf. Der Hauptkörper hat einen Innenraum. Der Griff ist an einer Seite des Hauptkörpers angebracht. Der kinematische Mechanismus hat sechs Freiheitsgrade und ist im Inneren des Innenraums des Hauptkörpers angeordnet. Der kinematische Mechanismus weist wenigstens eine stationäre Platte, eine bewegliche Platte und mehrere Antriebseinheiten auf. Die Antriebseinheiten sind auf der stationären Platte befestigt und mit der beweglichen Platte über mehrere Verbindungsstangen verbunden. Der Werkzeuganschluss ist auf der beweglichen Platte angeordnet. Das Werkzeug hat ein Gewindesegment und ein nicht mit Gewinde versehenes Segment und steht mit dem Werkzeuganschluss in Verbindung. Das Gewindesegment hat einen ersten Durchmesser, das gewindefreie Segment hat einen zweiten Durchmesser, und der erste Durchmesser ist kleiner als der zweite Durchmesser. Der Kraftsensor ist zwischen dem Werkzeuganschluss und der mobilen Platte angeordnet. Die Positionierungseinheit ist auf der mobilen Platte angeordnet und dient zur Positionierung der Lage und Ausrichtung des Werkzeugs. Der Kraftsensor misst eine Kraft, die parallel zu einer Axialrichtung des Werkzeugs zwischen einem Objekt und dem Werkzeug gerichtet ist, während der Kraftsensor auch eine Abweichungskraft zwischen dem Werkzeug und dem Objekt misst, und zwar koordiniert mit der Differenz der Durchmesser zwischen dem Gewindesegment und dem gewindefreien Segment. Der Handroboter kombiniert, wie beschrieben, eine Positions-/Ausrichtungs-Information, die von der Positionierungseinheit verlangt wird, mit der Kraft/Abweichungskraft-Information, die von dem Kraftsensor gemessen wird, und justiert die Lage und Ausrichtung des Werkzeugs auf der Grundlage einer kombinierten bzw. abgeglichenen Information.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der kinematische Mechanismus des weiteren eine Motorbefestigungsplatte auf, die auf der stationären Platte angebracht ist. Dazu kommt, dass jede Antriebseinheit folgende Teile aufweist: einen Motor, eine Kupplung, eine Führungsschnecke und ein Gleitstück. Der Motor ist auf der Motorbefestigungsplatte angeordnet. Die Kupplung ist zwischen dem Motor und der Motorbefestigungsplatte angeordnet. Die Führungsschnecke steht mit dem Motor in Verbindung. Das Gleitstück steht über einen Gleitblock mit der Führungsschnecke in Eingriff, wobei ein Ende des Gleitstücks über ein Gelenk mit der Verbindungsstange verbunden ist. Wenn der Motor die Führungsschraube antreibt, so dass sie sich dreht, treibt die Führungsschraube das Gleitstück an, so dass dieses sich in geradliniger Richtung durch den Gleitblock bewegt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Positionierungseinheit mehrere Licht reflektierende Kugeln auf. Die Licht reflektierenden Kugeln positionieren die Lage und Ausrichtung des Werkzeugs gemäß einem optischen Positionierungssystem. Hierbei kann die Positionierungseinheit auch eine andere herkömmliche Positionierungseinheit sein, beispielsweise ein elektromagnetisches Positionierungssystem oder eine Schwerkraft-Meßeinheit (IMU).
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Werkzeuganschluss einen Spindelmotor auf, der zum Antrieb des Werkzeugs dient, so dass es sich dreht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Griff und dem Hauptkörper zur Messung der Kraft, die von dem Benutzer ausgeübt wird, wenn er den Handroboter bedient, ein weiterer Kraftsensor angeordnet.
Dazu kommt, daß die vorliegende Erfindung ein Steuerverfahren zur Steuerung des Handroboters für orthopädische Chirurgie, wie oben beschrieben, vorschlägt. Das Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Schritte auf: Erstellen eines Operationsplans mit einem vorbestimmten Bereich/Pfad; Gewinnen einer Lage/Ausrichtungs-Information eines Werkzeugs, das an einem vorderen Ende des Handroboters angeordnet ist, und zwar mit einer Positionierungseinheit, und Einstellen der Lage/Ausrichtung des Werkzeugs auf der Grundlage der gewonnenen Lage/Ausrichtungs-Information, so dass das Werkzeug in dem vorbestimmten Bereich/Pfad des Operationsplans gehalten wird; und Messen einer Kraft/Drehmoment zwischen dem Werkzeug und einem Objekt mit einem Kraftsensor, sowie Einstellen der Lage/Ausrichtung des Werkzeugs auf der Grundlage der gemessenen Kraft/Drehmoment, so dass das Werkzeug in dem vorbestimmten Bereich/Pfad des Operationsplans gehalten wird. Die von dem Kraftsensor gemessene Kraft/Drehmoment enthält eine Abweichungskraft zwischen dem Werkzeug und dem Objekt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehört zu dem Steuerverfahren auch ein Schritt, der die Kombination der Lage/Ausrichtungs-Information, welche durch die Positionierungseinheit gewonnen wird, mit der Kraft/Drehmoment-Information aufweist, die durch den Kraftsensor gemessen wird, sowie die Einstellung der Lage/Ausrichtung des Werkzeugs auf der Grundlage einer kombinierten Information.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Werkzeug mit einem Gewindesegment und einem Segment ohne Gewinde versehen. Das Gewindesegment hat einen ersten Durchmesser, das Segment ohne Gewinde hat einen zweiten Durchmesser, und der erste Durchmesser ist kleiner als der zweite Durchmesser.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist dann, wenn der Roboter zum Bohren benutzt wird, die Abweichungskraft/Drehmoment eine Kraft/Drehmoment auf, welche rechtwinklig zu einer Axialrichtung des Werkzeugs liegt. Dazu kommt, daß zu dem Verfahren auch die Berechnung einer Bohrkraft/Drehmoment gehört, die eine Kraft/Drehmoment parallel zu der Axialrichtung des Werkzeugs ist, um dadurch festzustellen, wenn das Bohren fertig ist.
Gemäß noch einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Abweichungskraft/Drehmoment dann, wenn der Roboter zum Schneiden verwendet wird, eine Kraft parallel zu einem normalen Vektor einer Schnittoberfläche auf und weist außerdem zwei Drehmomente auf, die rechtwinklig zu dem normalen Vektor der Schnittoberfläche liegen. Dazu kommt, dass das Verfahren auch eine Berechnung einer Schneidkraft/Drehmoment enthält, die eine Kraft parallel zu der Schneidoberfläche und ein Drehmoment rechtwinklig zu der Schneidoberfläche ist, um dadurch festzustellen, wenn das Schneiden fertig ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird für die auf diesem Gebiet tätigen Fachleute durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen noch deutlicher, in denen sind:
1 eine perspektivische Ansicht eines Handroboter für orthopädische Chirurgie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht des Handroboters gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine auseinandergezogene und perspektivische Ansicht des Handroboter s gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4A und 4B vergrößerte entsprechende Ansichten eines Werkzeugs gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Ansicht des Handroboters der vorliegenden Erfindung gemäß der bevorzugten Ausführungsform, der in einer Chirurgie verwendet wird;
6 eine schematische Ansicht, die den Handroboter der vorliegenden Erfindung zeigt, wie er zum Bohren einer Knochenplatten-Fixierungs-Operation verwendet wird, wobei das Werkzeug von der Bahn eines vorbestimmten Operationsplans abweicht;
7 eine schematische Ansicht, die den Handroboter der vorliegenden Erfindung zeigt, wie er zum Bohren in der Knochenplatten-Fixierungs-Operation verwendet wird, wobei das Werkzeug von der Bahn des vorbestimmten Operationsplans in einem Winkel abweicht;
8 eine schematische Ansicht, die den Handroboter der vorliegenden Erfindung zeigt, wie er zum Bohren bei einer Knochenmark-Verriegelungs-Schraubenfixierungs-Operation verwendet wird, wobei das Werkzeug von der Bahn eines vorbestimmten Operationsplans abweicht;
9 eine schematische Ansicht, die den Handroboter der vorliegenden Erfindung zeigt, wie er zum Bohren bei der Knochenmark-Verriegelungs-Schraubenfixierungs-Operation verwendet wird, wobei das Werkzeug von der Bahn eines vorbestimmten Operationsplans in einem Winkel abweicht;
10 ein Flußdiagramm, das ein Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem die Lage und die Ausrichtung des Werkzeugs auf der Grundlage der Position/Orientierungs-Information, die von einer Positionierungseinheit erhalten wird, eingestellt wird;
11 ein Flußdiagramm, das das Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem die Lage/Orientierung des Werkzeugs auf der Grundlage der Kraft/Drehmoment-Information eingestellt wird, die von einem Kraftsensor erhalten wird, wobei der Handroboter der vorliegenden Erfindung zum Bohren oder Festziehen von Knochenschrauben bei einer Operation benutzt wird;
12 eine schematische Ansicht, die den Handroboter der vorliegenden Erfindung bei der Verwendung in einer Osteotomie-Operation zeigt;
13 eine schematische Ansicht, die den Handroboter der vorliegenden Erfindung bei einer Osteotomie-Operation zeigt, beispielsweise während einer Totalgelenkersatz-Operation, wobei das Werkzeug über den Bereich eines vorbestimmten Operationsplans hinaus schneidet;
14 eine schematische Ansicht, die den Handroboter der vorliegenden Erfindung zeigt, wie er in der Osteotomie-Operation verwendet wird, beispielsweise während einer Totalgelenkersatz-Operation, wobei das Werkzeug über den Bereich des vorbestimmten Operationsplans hinaus schneidet;
15 ein Flußdiagramm, das das Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs auf der Grundlage der Kraft/Drehmoment-Information justiert wird, die durch den Kraftsensor gemessen wird, und der Handroboter der vorliegenden Erfindung in einer Osteotomie-Operation benutzt wird;
16 eine schematische Ansicht, die den Handroboter der vorliegenden Erfindung zeigt, wie er zur Fixierung eines Schneidblockes benutzt wird; und
17 ein Flußdiagramm, das das Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs auf der Grundlage der Kraft/Drehmoment-Information justiert wird, die durch den Kraftsensor gemessen wird, und der Handroboter der vorliegenden Erfindung zur Fixierung eines Schneidblocks benutzt wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die beigefügten Zeichnungen dienen dazu, das Verständnis der Erfindung zu fördern und sind in die Beschreibung eingebaut und bilden einen Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen von Hand zu haltenden Roboter, kurz Handroboter 100 genannt, zeigt, der für die orthopädische Chirurgie verwendet wird. Wie in 1 dargestellt, weist der Handroboter 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Hauptkörper 1, einen Griff 2, einen kinematischen Mechanismus 3, einen Werkzeuganschluss, ein Werkzeug 5, einen Kraftsensor und eine Positionierungseinheit 7 auf.
2 ist eine Seitenansicht, die den Handroboter 100 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, während 3 eine auseinandergezogene und perspektivische Ansicht des Handroboters 100 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in den 1 bis 3 dargestellt, hat der Hauptkörper 1 einen Innenraum 10 und einen Griff 2, der an einer Seite des Hauptkörpers 1 angebracht ist, so dass der Benutzer ihn eingreifen kann. Ein Druckknopf 21 befindet sich auf dem Griff 2. Mit ihm läßt sich der Handroboter 100 ein- oder ausschalten. Der kinematische Mechanismus 3 weist sechs Freiheitsgrade auf und ist im Inneren des Innenraums 10 des Hauptkörpers 1 angeordnet. Der kinematische Mechanismus 3 weist wenigstens eine stationäre Platte 31, eine mobile Platte 32 und mehrere Antriebseinheiten 33 auf. Die Antriebseinheiten 33 sind auf der stationären Platte 31 befestigt und stehen mit der mobilen Platte 32 über mehrere Verbindungsstangen 34 in Verbindung. Der Aufbau und das Antriebsverfahren des kinematischen Mechanismus 3 werden im Detail in den folgenden Abschnitten beschrieben.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der kinematische Mechanismus 3 ein paralleler Mechanismus mit sechs Freiheitsgraden. Infolge der Merkmale des parallelen Mechanismus wie beispielsweise hohe Stabilität des Aufbaus, hohe Steifigkeit, null kumulative Fehler, geringe Trägheit und kleiner Arbeitsraum, ist der parallele Mechanismus bestens für chirurgische Geräte geeignet, die eine hohe Genauigkeit und kleinen Arbeitsraum erfordern.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, weist der kinematische Mechanismus 3 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung des weiteren eine Motorbefestigungsplatte 35 auf. Die Motorbefestigungsplatte 35 ist auf der stationären Platte 31 angebracht, wobei sich zwischen ihnen ein Abstand befindet. Jede Antriebseinheit 33 weist folgende Teile auf: einen Motor 331, eine Kupplung 332, eine Führungsschraube 333 und ein Gleitstück 334. Der Motor 331 ist auf der Motorbefestigungsplatte 35 angeordnet. Die Kupplung 332 befindet sich zwischen dem Motor 331 und der Motorbefestigungsplatte 35. Die Führungsschraube 333 ist mit dem Motor 331 durch die Motorbefestigungsplatte 35 und die Kupplung 332 verbunden. Das Gleitstück 334 steht mit der Führungsschraube 333 über einen Gleitblock 3341 in Berührung, wobei ein Ende des Gleitstücks 334 mit der Verbindungsstange 34 über ein Gelenk 36 verbunden ist. Hierbei hat das Gelenk 36 zwei Freiheitsgrade. Das andere Ende der Verbindungsstange 34 ist mit der beweglichen Platte 32 durch ein Gelenk 37 verbunden, das drei Freiheitsgrade hat. Wenn der Motor 331 die Führungsschraube 333 antreibt, so dass sie sich dreht, dann treibt die Führungsschraube 333 auch das Gleitstück 334 an, so dass sich dieses in geradliniger Richtung durch den Gleitblock 3341 bewegt und darüber hinaus die Verbindungsstange 34 antreibt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind sechs Antriebseinheiten 33 in dem kinematischen Mechanismus 3 vorgesehen. Mit der obigen Konfiguration wird die bewegliche Platte 32, wenn die Antriebseinheit 33 die Verbindungsstangen 34 antreiben, angetrieben, so dass sie sich bewegt oder dreht, und zwar in unterschiedliche Positionen/Ausrichtungen, um dadurch das Werkzeug 5 in die gewünschte Position/Ausrichtung zu bringen.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, ist der Werkzeugverbinder 4 auf der beweglichen Platte 32 angeordnet, und das Werkzeug 5 ist an dem Werkzeugverbinder 4 angebracht. Bei dem Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung kann das Werkzeug 5 gemäß dem Zweck jeder Operation durch geeignete Werkzeuge ersetzt werden. So kann beispielsweise bei einer Osteotomie, also einer Knochen-Operation, als Werkzeug 5 ein Fräser Verwendung finden. Für das Anziehen der Knochenschrauben läßt sich ein Schraubendreherwerkzeug als Werkzeug 5 benutzen, und dann, wenn der Handroboter 100 für das Bohren benutzt wird, kann als Werkzeug 5 ein Bohrmeißel verwendet werden. Der Werkzeuganschluss 4 weist einen Spindelmotor 41 zum Antreiben des Werkzeugs 5 auf, so dass sich dieses dreht. Der Kraftsensor 6 ist zwischen dem Werkzeuganschluss 4 und der beweglichen Platte 32 angeordnet und dient zur Messung der Kraft/Drehmoment, die zwischen dem Werkzeug und dem Knochen während der Operation erzeugt wird.
Hier soll darauf hingewiesen werden, dass das Werkzeug 5 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung speziell so gebaut worden ist, dass die Empfindlichkeit des Kraftsensors 6 erhöht wird. 4A ist eine vergrößerte Ansicht, die ein Vorderende eines Bohrwerkzeugs 5a gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, während 4B eine vergrößerte Ansicht ist, die ein Vorderende eines Bohrwerkzeugs 5b gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie aus den 4A und 4B hervorgeht, weisen sowohl das Bohrwerkzeug 5a als auch das Bohrwerkzeug 5b ein Gewindesegment 51 und ein nicht mit Gewinde versehenes Segment 52 auf. Das Gewindesegment 51 der Werkzeuge hat einen ersten Durchmesser, während das nicht mit Gewinde versehene Segment 52 der Werkzeuge einen zweiten Durchmesser besitzt. Wie in den Zeichnungsfiguren ersichtlich, ist der erste Durchmesser kleiner als der zweite Durchmesser und zwischen dem mit Gewinde versehenen Segment 51 und dem nicht mit Gewinde versehenen Segment 52 besteht eine Durchmesserdifferenz d. Unter den Umständen, in denen normale Werkzeuge benutzt werden, ist der Kraftsensor 6 nur in der Lage, die Kraft zu messen, die direkt auf das Werkzeug durch die Knochen des Patienten ausgeübt wird. Mit anderen Worten, der Kraftsensor 6 kann nur die Kraft messen, die parallel zu einer Axialrichtung des Werkzeugs wirkt. Wenn jedoch das Werkzeug von dem Pfad eines vorbestimmten Operationsplans abbiegt oder abweicht, sobald das mit Gewinde versehene Segment in den Knochen eingebohrt wird, ist es für den Kraftsensor schwieriger, die Abweichungskraft zu ermitteln, die auf das Werkzeug durch den Knochen mit herkömmlichen Werkzeugen ausgeübt wird, d. h. es ist schwerer, die Kraft/Drehmoment festzustellen, das rechtwinklig zu der Axialrichtung des Werkzeugs wirkt. Infolgedessen ist es für den Kraftsensor schwieriger, die Situation festzustellen, in der das Werkzeug von dem Pfad oder Weg eines vorbestimmten Operationsplans abweicht, oder die Situation festzustellen, in der das Werkzeug von dem Pfad oder Weg eines vorbestimmten Operationsplans in einem Winkel abweicht. Mit dem speziell gebauten Werkzeug 5 der vorliegenden Erfindung kollidiert der Knochen des Patienten mit der Durchmesserdifferenz d zwischen dem mit Gewinde versehenen Segment 51 und dem kein Gewinde aufweisenden Segment 52, sobald das Gewindesegment 51 des Werkzeugs 50 durch die Knochen bohrt, und eine Abweichungskraft zwischen ihnen erzeugt wird. Mit anderen Worten, der Kraftsensor 6 würde dann eine Kraft feststellen, die rechtwinklig zu der Axialrichtung des Werkzeugs 5 wirkt, oder der Kraftsensor 6 würde ein Drehmoment feststellen, das zwischen dem Knochen und dem Werkzeug erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit des Kraftsensors 6 erhöht werden.
Wie in den 2 und 3 zu sehen, ist die Positionierungseinheit 7 auf der beweglichen Platte 32 zum Zwecke der Positionierung der Lage und Ausrichtung des Werkzeugs 5 angeordnet. Die Positionierungseinheit 7 kann ein beliebiges herkömmliches Positionierungssystem sein, beispielsweise ein optisches Positionierungssystem, eine elektromagnetisches Positionierungssystem oder eine Trägheit-Meßeinheit. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Positionierungseinheit mit mehreren Licht reflektierenden Kugeln versehen, die die Lage und Ausrichtung des Werkzeugs 5 führen können, wenn es mit einem optischen Positionierungssystem benutzt wird. Dazu kommt, dass zwischen dem Griff 2 und dem Hauptkörper 1 ein weiterer Kraftsensor 6 angeordnet werden kann, um auch die Kraft zu messen, die von der Hand des Benutzers während der Operation ausgeübt wird.
5 ist eine schematische Ansicht, die den Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung zeigt, der gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bei einer chirurgischen Operation benutzt wird. Wie in 5 dargestellt, hält ein Benutzer, wenn der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung benutzt wird, den Handroboter 100 mit seiner Hand und bearbeitet die Knochen eines Patienten gemäß einem vorbestimmten Operationsplan. Da der kinematische Mechanismus 3 des Handroboters 100 ein paralleler Mechanismus ist, ist die Größe des Handroboters 100 im Vergleich zu den herkömmlichen mechanischen Roboterarmen kleiner und im Gebrauch ist die Agilität des Handroboters 100 auch größer. Während einer Operation wird der Handroboter 100 koordiniert mit einem optischen Positionierungssystem 71 benutzt, um die Positionierungseinheit 7, die auf der beweglichen Platte 32 angeordnet ist, zu führen und dadurch die Relativlage und Ausrichtung des Werkzeugs 5 in Bezug auf die Knochen zu bestimmen. Dazu kommt, dass dann, wenn das Werkzeug 5 mit dem Knochen des Patienten in Berührung kommt, der Kraftsensor 6 die Kraft und das Drehmoment zwischen dem Werkzeug und dem Knochen misst, um auch die Relativlage und Ausrichtung des Werkzeugs in Bezug auf den Knochen zu bestimmen. Auf diese Weise kombiniert der Handroboter 100 die Lage/Orientierungs-Information des Werkzeugs 5, die durch die Positionierungseinheit 7 erhalten wird, mit der Kraft/Drehmoment-Information, die von dem Kraftsensor 6 gemessen wird, und benutzt die kombinierte Information zur Justierung der Lage des Werkzeugs 5, so dass das Werkzeug 5 in dem Bereich/Bahn eines vorbestimmten Operationsplans gehalten werden kann.
Unter Bezug auf die Zeichnungsfiguren werden im folgenden Abschnitt Fälle im Detail erläutert, in denen der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Operationen benutzt wird.
Die 6 und 7 sind schematische Ansichten, die den Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung zeigen, wie er zum Bohren in einer Knochenplatten-Fixierungs-Operation verwendet wird, und die 8 und 9 sind schematische Ansichten, die zeigen, wie der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung zum Bohren bei einer Knochenmark-Verriegelungs-Schraubenfixierungs-Operation benutzt wird. In den 6 bis 9 verwendet der Benutzer den Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung zum Bohren mit automatischer Positionierungsfunktion. In den 6(a), 7(a), 8(a) und 9(a) wird das Werkzeug 5, bevor es mit dem Knochen des Patienten in Berührung kommt, hinsichtlich seiner Lage/Orientierung justiert, und zwar auf der Grundlage der Lage/Orientierungs-Information, die durch die Positionierungseinheit 7 erhalten wird. 10 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Positionierung/Orientierung des Werkzeugs 5 unter Zuhilfenahme der Positionierungseinheit 7 eingestellt wird, bevor das Werkzeug 5 mit dem Knochen in Berührung tritt. Wie in 10 gezeigt, berechnet der Handroboter 100 die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs 5 auf der Grundlage eines vorgegebenen Operationsplans und auch auf der Grundlage der relativen Lage/Ausrichtungs-Information des Werkzeugs 5 in Bezug auf den Knochen, die von der Positionierungseinheit 7 geliefert wird. Wenn die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs 5 eingestellt werden muss stellt der Handroboter 100 die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs 5 durch den kinematischen Mechanismus 3 ein, so dass das Werkzeug 5 mit der Lage/Ausrichtung gemäß dem vorbestimmten Operationsplan in Übereinstimmung gebracht wird, wodurch eine dynamische Bewegungskompensation des Werkzeugs erhalten wird.
Sobald das Werkzeug 5 mit dem Knochen in Berührung steht und der Bohrprozeß gestartet wurde, wird auf das Werkzeug 5 durch den Knochen eine Kraft ausgeübt. In diesem Augenblick kollidieren dann, wenn der Knochen oder die Hand des Benutzers sich bewegt und bewirkt, dass das Werkzeug 5 von der Zielposition/Orientierung abweicht, da nicht mit Gewinde versehene Segment 52, da der Durchmesserunterschied d zwischen dem nicht mit Gewinde versehenem Segment 52 und dem Gewindesegment 51 genauer sein soll, mit Knochenplatten, Knochenschrauben oder Knochen, wodurch eine Abweichungskraft erzeugt wird. Wie in den 6(b) und 8(b) dargestellt, wird dann, wenn das Werkzeug 5 oder der Knochen von dem vorbestimmten Weg in einer Richtung abweicht, zwischen dem Knochen und dem Werkzeug 5 in einer entsprechenden Richtung eine Reaktionskraft erzeugt, also eine Kraft, die rechtwinklig zu der Axialrichtung des Werkzeugs 5 zwischen ihnen generiert wird. Wie in den 7(b) und 9(b) dargestellt, wird dann, wenn das Werkzeug 5 von dem vorgegebenen Pfad 5 in einem Winkel abweicht, zwischen dem Knochen und dem Werkzeug 5 ein Drehmoment erzeugt. In den obigen Situationen ermittelt und misst der Kraftsensor die Kraft/Drehmoment, die die Ursache dafür bildet, dass das Werkzeug 5 versetzt/abweicht. Der Handroboter 100 justiert dann die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs 5 durch den kinematischen Mechanismus 3 auf der Grundlage der Information, die durch den Kraftsensor 6 erhalten wird, um dadurch das Werkzeug 5 auf dem Pfad des vorbestimmten Operationsplans zu halten, wie in den 6(c), 7(c), 8(c) und 9(c) dargestellt.
11 ist ein Fließdiagramm, das das Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs justiert wird, und zwar auf der Grundlage der Kraft/Drehmoment-Information, die von dem Kraftsensor 6 geliefert wird, und der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung wird dazu benutzt, bei einer Operation Knochenschrauben einzudrehen oder festzuziehen. Wie aus 11 entnommen werden kann, misst der Handroboter 100 die Kraft/Drehmoment zwischen dem Werkzeug 5 und dem Knochen mit dem Kraftsensor 6 unter Hilfe der Lage/Ausrichtungs-Kompensation des Werkzeugs 5. Durch Berechnung der Abweichung von Kraft/Drehmoment wird die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs 5 so justiert, dass die Kraft/Drehmoment rechtwinklig zu der Axialrichtung des Werkzeugs auf ein Mindestmaß beschränkt wird sowie zwischen dem Werkzeug 5 und dem Knochen, um dadurch zu verhindern, dass das Werkzeug 5 von dem Weg des vorbestimmten Operationsplanes abweicht oder versetzt wird. Der Kraftsensor misst und berechnet dann die Kraft/Drehmoment, die von dem Werkzeug 5 während des Bohrvorgangs ausgeübt wird, d. h. die Kraft, die parallel zu der Axialrichtung des Werkzeugs 5 gerichtet ist. Die Kraft parallel zu der Axialrichtung des Werkzeugs 5 dient als Grundlage für die Bestimmung, ob das Werkzeug 5 den Knochen durchbohrt hat, oder als Grundlage um festzustellen, wenn die Knochenschraube vollständig angezogen worden ist. Wenn das Werkzeug 5 den Knochen durchbohrt hat oder wenn die Knochenschraube vollständig angezogen worden ist, schaltet dann der Handroboter 100 den Spindelmotor 41 aus, so dass das Werkzeug keine andere Gewebe beschädigt.
Die Kraft/Drehmoment-Information, die von dem Kraftsensor 6, wie oben beschrieben ist, geliefert wird, kann des weiteren mit der relativen Lage/Ausrichtungs-Information des Knochens für das Werkzeug 5 kombiniert werden, und zwar geliefert von der Positionierungseinheit 7 (beispielsweise durch Benutzung des mehrstufigen Kalman-Filters für die Datenfusion). Infolge dessen kann der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung schnell und genau eine dynamische Bewegungskompensation ermöglichen, um dadurch das Werkzeug 5 auf dem Weg des vorbestimmten Operationsplanes zu halten.
Die 12 bis 14 sind schematische Ansichten, die zeigen, wie der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung bei einer Knochen-Operation verwendet wird. In den 13(a) und 14(a) wird eine ähnliche Situation gezeigt, bei der der Handroboter 100 zum Bohren verwendet wird und die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs 5 justiert wird, und zwar auf der Grundlage der Lage/Ausrichtungs-Information, die durch die Positionierungseinheit 7 geliefert wird, bevor das Werkzeug 5 den Knochen berührt. Mit anderen Worten, das Steuerverfahren in 10 wird eingesetzt, bevor das Werkzeug 5 den Knochen des Patienten berührt. Sobald das Schneiden beginnt, wenn das Werkzeug 5 den Knochen berührt, wird zwischen dem Werkzeug 5 und dem Knochen eine Kraft erzeugt. In diesem Moment, wenn der Knochen oder die Hand des Benutzers sich bewegt und bewirkt, dass das Werkzeug 5 von der Ziel-Position/Orientierung abweicht, also dem nicht mit Gewinde versehenen Segment 52, wird, um genauer zu sein, der Durchmesserunterschied d zwischen dem nicht mit Gewinde versehenen Segment 52 und dem Gewindesegment 51 mit dem Knochen kollidieren und eine Abweichungskraft bewirken. Wie in 13(b) gezeigt, ergibt sich dann, wenn das Werkzeug 5 oder der Knochen von dem Bereich des vorbestimmten Operationsplanes in einer Richtung abweicht, eine Reaktionskraft in der entsprechenden Richtung zwischen dem Knochen und dem Werkzeug; d. h. eine Reaktionskraft, die parallel zu dem normalen Vektor der Schneidoberfläche ist, zwischen dem Knochen und dem Werkzeug erzeugt wird. Wie in 14(b) dargestellt, werden dann, wenn das Werkzeug 5 von dem Bereich des vorbestimmten Operationsplanes in einem Winkel abweicht, zwischen dem Knochen und dem Werkzeug 5 Drehmomente erzeugt, und zwar genauer gesagt, zwei Drehmomente, die rechtwinklig zu dem normalen Vektor der Schneidoberfläche liegen, werden zwischen dem Knochen und dem Werkzeug 5 erzeugt. Nachdem der Kraftsensor 6 die Abweichungskraft/Drehmoment misst, wird die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs 5 durch den kinematischen Mechanismus eingestellt, um dadurch das Werkzeug 5 in dem Bereich des vorbestimmten Operationsplans zu halten, wie in den 13(c) und 14(c) gezeigt.
15 zeigt ein Fließdiagramm des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung, wobei die Lage und die Ausrichtung des Werkzeugs 5 auf der Grundlage der Kraft/Drehmoment-Information justiert wird, die durch den Kraftsensor 6 gemessen wird, und der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung dient für eine Knochen-Operation. Wie in 15 gezeigt, misst der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung die Kraft/Drehmoment zwischen dem Werkzeug 5 und dem Knochen zwecks Lage/Ausrichtungs-Kompensation des Werkzeugs 5. Durch Berechnen der Abweichung der Kraft/Drehmoment wird die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs 5 zur Beschränkung der Kraft auf ein Mindestmaß parallel zu dem normalen Vektor der Schneidoberfläche eingestellt, wie auch zur Minimierung der beiden Drehmomente senkrecht zu dem normalen Vektor der Schneidoberfläche, um dadurch zu verhindern, dass das Werkzeug 5 von dem Bereich des vorbestimmten Operationsplans abweicht oder versetzt wird. Dazu kommt, dass die Schneidkraft, die durch den Kraftsensor gemessen wird, mit anderen Worten, die Kraft parallel zu der Schneidoberfläche, und die Drehmomente senkrecht zu der Schneidoberfläche, als Basis für die Bestimmung benutzt werden, wenn das Werkzeug 5 den Schneidvorgang beendet hat. Wie aus 12 ersichtlich, schaltet der Handroboter 100 den Spindelmotor 41 ab, um dadurch zu verhindern, dass das Werkzeug 5 andere Gewebe des Patienten beschädigt, sobald das Werkzeug 5 die gestrichelte Linie in 12 passiert und das Schneiden beendet hat.
In ähnlicher Weise läßt sich die Kraft/Drehmoment-Information, die von dem Kraftsensor 6, wie oben beschrieben, geliefert wird, auch mit der relativen Information des Knochens, betreffend die Information/Ausrichtung in Bezug auf das Werkzeug 5 kombinieren, die durch die Positionierungseinheit 7 geliefert wird (beispielsweise unter Verwendung des mehrstufigen Kalman-Filters für die Datenfusion). Als Ergebnis läßt sich feststellen, dass der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung schnell und genau dynamische Bewegungskompensation erhalten kann, um dadurch das Werkzeug 5 innerhalb des Bereiches des vorgegebenen Operationsplanes zu halten.
16 ist eine schematische Ansicht, die den Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung zeigt, wie er zur Fixierung eines Schneidblocks 9 benutzt wird. Zunächst, wie in 16(a) dargestellt, platziert der Benutzer von Hand den Schneidblock 9 in einer bestimmten Lage/Ausrichtung in Bezug auf den Knochen des Patienten, geführt dabei von einem medizinischen Bild oder Computernavigations-Programm. Während des Vorgangs kann der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung dann, wenn die Lage/Ausrichtung des Schneidblocks 9 etwas von der gewünschten Lage/Ausrichtung abweicht, die Lage/Ausrichtung des Schraubendrehers und der Knochenschraube 55 an seinem vorderen Ende durch den kinematischen Mechanismus 3 justieren, und zwar auf der Grundlage der relativen Lage/Orientierungs-Information des Werkzeugs 5 in Bezug auf den Knochen, und kann gleichzeitig das Fixierungsloch 91 des Schneidblocks 9 zu der gewünschten Lage/Ausrichtung führen, die durch das Navigationsprogramm geliefert wird, wie in 16(b) gezeigt. Sobald die Knochenschraube 51 in den Knochen eintritt, gibt es zwei Möglichkeiten, den Schneidblock 9 mit dem Handroboter 100 zu fixieren. Die erste Möglichkeit zur Fixierung des Schneidblockes 9 besteht darin, das Steuerverfahren für das Bohren, wie oben beschrieben, zu benutzen. Die Lage/Ausrichtung des Schraubendrehers wird durch den kinematischen Mechanismus 3 justiert, und zwar auf der Basis der Kraft/Drehmoment-Information, die von dem Kraftsensor 6 gegeben wird, um dadurch das Kraft/Drehmoment rechtwinklig zur Axialrichtung des Schraubendrehers auf ein Mindestmaß zu beschränken. Das Kraft/Drehmoment, gemessen in Richtung parallel zu der Axialrichtung des Schraubendrehers, kann als Basis dafür benutzt werden, festzustellen, wenn die Knochenschraube 51 festgezogen worden ist. Mittlerweile führt der Handroboter 100 die schnelle und genaue dynamische Bewegungskompensation mit der relativen Lage/Ausrichtungs-Information des Werkzeugs in Bezug auf den Knochen aus, die durch die Positionierungseinheit 7 ermöglicht wird. Sobald die Knochenschraube 51 festgezogen ist, wie in 16(c) gezeigt, schaltet der Handroboter 100 den Spindelmotor 41 ab. Wenn die zweite Möglichkeit gewählt wird, den Schneidblock 9 zu fixieren, wird der Handroboter 100 auf manuellen Betrieb geschaltet. Im manuellen Betrieb wird die Lage/Ausrichtung des Schraubendrehers nicht länger durch den kinematischen Mechanismus 3 eingestellt. Statt dessen justiert der Benutzer die Lage/Ausrichtung des Schraubendrehers von Hand. Bei der zweiten Möglichkeit kann der Rest der Bewegung leicht manuell beendet werden, da die Knochenschraube 51 das Befestigungsloch 91 des Schneidblocks 9 bereits passiert hat und zu der richtigen Lage/Orientierung in Bezug auf den Knochen geführt wird.
17 ist ein Fließdiagramm, das das zweite Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem die Lage/Orientierung des Werkzeugs auf der Grundlage der Kraft/Drehmoment-Information justiert wird, die durch den Kraftsensor 6 gemessen wird, und der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung wird zur Fixierung des Schneidblocks 9 verwendet. Wie in 17 dargestellt, misst der Handroboter 100 der vorliegenden Erfindung die Kraft/Drehmoment zwischen dem Werkzeug 5 und dem Knochen, um dadurch die Lage/Ausrichtung-Kompensation des Werkzeugs 5 zu unterstützen. Durch Berechnen der Abweichung Kraft/Drehmoment wird die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs 5 so eingestellt, dass die Kraft senkrecht zu der Axialrichtung des Schraubendrehers minimiert wird, um dadurch zu verhindern, dass das Werkzeug 5 von der Bahn des vorbestimmten Operationsplanes abweicht und diesbezüglich versetzt wird. Das Festziehkraft/Drehmoment, das von dem Kraftsensor 6 gemessen wird, d. h. die Kraft, die parallel zu der Axialrichtung des Schraubendrehers wirkt, wird als Basis zum Feststellen verwendet, wenn der Schneidblock 9 vollständig fixiert worden ist. Sobald der Schneidblock 9 fixiert ist, stoppt dann der Handroboter 100 den Spindelmotor 41, um dadurch zu verhindern, dass das Werkzeug 5 andere Gewebe beschädigt.
Die vorliegende Erfindung verwendet die räumliche Information des Werkzeugs 5 und des Knochens des Patienten, die durch die Positionierungseinheit 7 gegeben wird sowie die Kraft/Drehmoment-Information, die durch den Kraftsensor 6 gemessen wird, zur Datenfusion, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit der Bewegungskompensation des Werkzeugs 5 verbessert wird. Allgemein gesprochen, wird aufgrund der Bandbreite des optischen Positionierungssystems bezüglich der Reaktion auf das optische Positionierungssystem eine gewisse Latenzzeit erwartet. Wenn daher die chirurgische operative Ausrüstung nur die räumliche Information benutzt, die von dem optischen Positioniersystem gegeben wird, und zwar als Basis für die Bewegungskompensation ihres vorderen Werkzeugs, dann könnte der akkumulierte Fehler zwischen der zur Verfügung stehenden räumlichen Information und der tatsächlichen räumlichen Information zu groß sein. Im Vergleich dazu ist die Reaktionsgeschwindigkeit der chirurgischen Ausrüstung zu der Kraft/Drehmoment-Information größer. Daher kann durch Verwendung der räumlichen Information, koordiniert mit der Kraft/Drehmoment-Information, die Reaktionsgeschwindigkeit der chirurgischen Ausrüstung erhöht werden. Durch Benutzung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung zur Einstellung der Lage/Ausrichtung des Werkzeugs an der Front der chirurgischen apparativen Ausrüstung kann der Fehler zwischen der vorhandenen räumlichen Information und der tatsächlichen räumlichen Information weitgehend verringert werden, wodurch die Genauigkeit der Operation verbessert wird. Mittlerweile kann die Latenzzeit bei der Benutzung des optischen Positionierungssystems verringert werden, und die Blockadesituation, aufgrund derer die Lage des Werkzeugs unleserlich ist, kann bei Benutzung des optischen Positionierungssystems auch verhindert werden, wodurch die Sicherheit der Operation verbessert wird.
Obgleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann, daß eine Vielfalt von Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden kann, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der durch die anhängenden Ansprüche definiert werden soll.

Claims

Handroboter für orthopädische Chirurgie, umfassend einen Hauptkörper (1) mit einem Innenraum (10), einen Griff (2), der an einer Seite des Hauptkörpers (1) angebracht ist, einen kinematischen Mechanismus (3) mit sechs Freiheitsgraden, der im Inneren des Innenraums (10) des Hauptkörpers (1) angeordnet ist und folgende Teile aufweist: eine stationäre Platte (31), eine bewegliche Platte (32) und mehrere Antriebseinheiten (33), wobei die Antriebseinheiten auf der stationären Platte (31) gelagert und mit der mobilen Platte (32) über mehrere Verbindungsstangen (34) verbunden sind; ferner umfassend einen Werkzeugverbinder (4), der auf der mobilen Platte (32) angeordnet ist, ein Werkzeug (5) mit einem einen Gewindeabschnitt (51) und einem kein Gewinde aufweisenden Abschnitt (52), das mit dem Werkzeugverbinder (4) verbunden ist, wobei der Gewindeabschnitt (51) einen ersten Durchmesser aufweist und der Abschnitt (52) ohne Gewinde eine zweiten Durchmesser, und der erste Durchmesser (51) kleiner ist als der zweite Durchmesser (52), des weiteren umfassend einen Kraftsensor (6), der zwischen dem Werkzeugverbinder (4) und der mobilen Platte (32) angeordnet ist, sowie eine Positionierungseinheit (7), die auf der mobilen Platte (32) angeordnet ist und für die Positionierung und Anordnung des Werkzeugs (5) dient; wobei des weiteren der Kraftsensor (6) eine Kraft misst, die parallel zu einer Axialrichtung des Werkzeugs (5) zwischen einem Gegenstand und dem Werkzeug wirkt, und der Kraftsensor (6) des weiteren eine Abweichungskraft zwischen dem Werkzeug (5) und dem Gegenstand in Übereinstimmung mit einer Differenz in dem Durchmesser zwischen dem Gewindeabschnitt (51) und dem Abschnitt (52) ohne Gewinde misst; und wobei schließlich der Roboter (100) eine Lage/Orientierungs-Information, die er von der Positionierungseinheit (7) erhält, mit der Kraft/Abweichungskraft-Information durch den Kraftsensor misst und die Lage und Ausrichtung des Werkzeugs (5) aufgrund einer kombinierten Information einstellt.
Handroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kinematische Mechanismus (3) des weiteren eine Motor-Befestigungsplatte (35) aufweist, die auf der Motor-Stationierungsplatte (31) angebracht ist, und jede Antriebseinheit (33) folgende Teile aufweist: einen Motor (331), der auf der Motor-Befestigungsplatte (35) angeordnet ist; eine Kupplung (332), die zwischen dem Motor (331) und der Motor-Befestigungsplatte (35) angeordnet ist; eine Führungsschraube (333), die mit dem Motor (331) verbunden ist; und ein Gleitstück (334), das mit der Führungsschraube (333) über einen Gleitblock (3341) in Eingriff steht, wobei ein Ende des Gleitblocks (334) mit der Verbindungsstange (34) über ein Gelenk (36) verbunden ist, und wobei dann, wenn der Motor (331) die Führungsschraube antreibt, so dass sie sich dreht, die Führungsschraube (333) auch den Gleitblock (334) antreibt, so dass er in geradliniger Richtung durch den Gleitblock (3341) gleitet.
Handroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinheit (7) mehrere Licht reflektierende Kugeln aufweist, wobei die Licht reflektierenden Kugeln die Lage und Ausrichtung des Werkzeugs (5) in Übereinstimmung mit einem optischen Positionierungssystem festlegen.
Handroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugverbinder (4) mit einem Spindelmotor (41) für den Drehantrieb des Werkzeugs (5) versehen ist.
Handroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Kraftsensor (6) zwischen dem Griff (2) und dem Hauptkörper (1) angeordnet ist.
Steuerverfahren zur Steuerung eines Roboters für orthopädische Chirurgie, umfassend die folgenden Schritte: Aufstellen eines Operationsplanes mit einem vorbestimmten Bereich/Weg; Erlangen einer Lage/Ausrichtungs-Information eines Werkzeugs (5), das an einem vorderen Ende des Handroboters (100) angeordnet ist, mit einer Positionierungseinheit (7) und Einstellen der Lage/Ausrichtung des Werkzeugs (5) auf der Grundlage der erhaltenen Lage/Ausrichtungs-Information, um dadurch das Werkzeug (5) in einem vorbestimmten Bereich/Bahn der geplanten Operation zu erhalten; und Messen einer Kraft/Drehmoment zwischen dem Werkzeug (5) und einem Gegenstand mit einem Kraftsensor (6) sowie Einstellen der Lage/Ausrichtung des Werkzeugs auf der Grundlage der gemessenen Kraft/Drehmoment, um dadurch das Werkzeug (5) in dem vorbestimmten Bereich/Bahn des Operationsplans zu halten, wobei die Kraft/Drehmoment, gemessen durch den Kraftsensor (6), eine Abweichungskraft/Drehmoment zwischen dem Werkstück (5) und dem Gegenstand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage/Ausrichtungs-Information, die durch die Positionierungseinheit (7) erhalten wird, mit der Kraft/Drehmoment-Information, die durch den Kraftsensor (6) gemessen wird, kombiniert wird, und dass die Lage/Ausrichtung des Werkzeugs (5) auf der Grundlage einer kombinierten Information justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (5) einen mit Gewinde versehenen Abschnitt (51) und einen Abschnitt (52) ohne Gewinde aufweist, dass der Gewindeabschnitt einen ersten Durchmesser und der Abschnitt ohne Gewinde einen zweiten Durchmesser besitzt, und dass der erste Durchmesser kleiner ist als der zweite Durchmesser.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Roboter (100) zum Bohren verwendet wird, die Abweichungskraft/Drehmoment eine Kraft/Drehmoment enthält, die rechtwinklig zu einer axialen Richtung des Werkzeugs (5) gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren das Berechnen einer Bohrkraft/Drehmoment beinhaltet, die eine Kraft/Drehmoment parallel zu der axialen Richtung des Werkzeugs (5) beinhaltet, um festzustellen, wenn das Bohren beendet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Roboter (100) zum Schneiden benutzt wird, die Abweichungskraft/Drehmoment eine Kraft parallel zu einem normalen Vektor einer Schneid-Oberfläche enthält und zwei Drehmomente aufweist, die rechtwinklig zu dem normalen Vektor der Schneid-Oberfläche gerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des weiteren das Berechnen einer Schneidkraft/Drehmoment vorsieht, die eine Kraft parallel zu der Schneid-Oberfläche und ein Drehmoment rechtwinklig zu der Schneid-Oberfläche enthält, um dadurch festzustellen, wenn das Schneiden beendet ist.