NL9200286A - Botsvrij besturingssysteem voor een meerassig bestuurbare manipulator. - Google Patents

Description

Titel: Botsvrij besturingssysteem voor een meerassig bestuurbare manipulator

De uitvinding heeft betrekking op een meerassig bestuurbare manipulator, in hoofdzaak bestaande uit onderling gekoppelde draagarmen, welke door middel van bestuurbare verstelor-ganen zodanig beweegbaar zijn dat het vrije uiteinde van de manipulator ruimtelijk positioneerbaar en in verschillende standen brengbaar is, alsmede uit besturingsmiddelen voor het aansturen van de verstelorganen.

Dergelijke manipulatoren zijn bekend en worden bij industriële toepassing doorgaans aangeduid als "robots". Het vrije uiteinde van de robot, die b.v. met een spuitkop of laskop kan zijn uitgerust, doorloopt een meer of minder gecompliceerde bewegingsbaan, waarbij in bepaalde posities of tijdens het doorlopen van bepaalde trajecten voorgeschreven handelingen worden verricht. De te doorlopen baan en de te verrichten handelingen zijn vastgelegd in een programma, dat door de besturingsmiddelen wordt uitgelezen en omgezet in stuursignalen voor het aansturen van de verstelorganen. Het schrijven van een dergelijk programma is doorgaans een gecompliceerd en tijdrovend karwei en wordt derhalve slechts ondernomen bij repeterende bewegingspatronen, zoals bij het bewerken van serieprodukten.

Men kan de programmeerwerkzaamheden reduceren door gebruik te maken van zogenaamde "teach in"-programmering, waarbij het vrije uiteinde van de robot of manipulator onder handbesturing de gewenste bewegingsbaan doorloopt, welke bewegingsbaan gelijktijdig in een programma wordt vastgelegd, welk programma vervolgens in de besturingsmiddelen kan worden ingevoerd voor het aansturen van de verstelorganen.

Manipulatoren vinden ook toepassing bij niet repeterende bewegingspatronen, b.v. bij het verrichten van handelingen in een op grond van de daarin heersende omstandigheden (straling, temperatuur, druk) niet toegankelijke ruimte. De manipulator moet dan op afstand worden bestuurd. Dit kan geschieden door elk verstelorgaan van de manipulator te koppelen met een bij- behorend bedieningsorgaan voor het aansturen van dat verstel-orgaan, waarbij de bedieningsorganen uiteraard buiten de niet toegankelijke ruimte zijn opgesteld en de vorm van drukknoppen, handels of joysticks kunnen hebben. De besturing van de manipulator is in dat geval analoog aan die van b.v. een hydraulisch bestuurbaar graafwerktuig.

Omdat men slechts twee van de b.v. zes aanwezige verstel-organen tegelijkertijd kan bedienen vindt de gewenste verplaatsing van het vrije uiteinde van de manipulator op getrapte wijze en derhalve langzaam plaats. Noodzakelijkerwijze moet de operator tijdens de besturing de beweging van het vrije uiteinde nauwkeurig in het oog houden om botsingen met het door de manipulator te behandelen object te vermijden.

Bij een als röntgenapparaat uitgevoerde manipulator, waarvan het vrije uiteinde is uitgerust met een C-vormige draagarm, die aan het ene uiteinde van een röntgenbron en aan het tegenovergelegen uiteinde van een beeldsensor is voorzien, doet zich het probleem voor dat het röntgenapparaat weliswaar op het oog in ongeveer de gewenste positie ten opzichte van de te onderzoeken patiënt kan worden gebracht, maar dat de exact juiste onderlinge positie moet worden bepaald aan de hand van het beeld, dat de beeldsensor op een voor de operator c.q. de radioloog opgesteld beeldscherm weergeeft. Het op het beeldscherm weergegeven beeld geeft geen informatie over de precieze onderlinge afstand tussen de röntgenbron en de te onderzoeken patiënt, zodat het gevaar bestaat dat bij verplaatsing van de röntgenbron op gevoel,.met het oog gericht op het beeldscherm, een "botsing" tussen röntgenbron en patiënt kan optreden met de kans op zwaar letsel voor de patiënt.

De uitvinding beoogt een besturingssysteem voor een manipulator van het bovenomschreven type te verschaffen, die een snelle willekeurige verplaatsing van het vrije uiteinde daarvan langs een continue bewegingsbaan mogelijk maakt.

De uitvinding beoogt verder een besturingssysteem te verschaffen waarbij botsingen tussen manipulator en te onder- zoeken c.q. te behandelen object met absolute zekerheid zijn uitgesloten.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat de besturingsmiddelen een schaalmodel van de manipulator en van het te onderzoeken c.q. te behandelen object bevatten, waarbij tenminste het schaalmodel van de manipulator met de hand bedienbaar is en is uitgerust met een reeks positieopnemers, welke stuursignalen voor het aansturen van de verstelorganen kunnen afgeven zodanig dat de manipulator en het schaalmodel daarvan steeds identieke standen innemen.

Bij voorkeur is het schaalmodel van de manipulator met evenveel positieopnemers uitgerust als het aantal verstelorganen van de bestuurbare manipulator bedraagt.

Door het schaalmodel van de manipulator met de hand te bewegen ten opzichte van het eveneens op schaal uitgevoerde object, waarbij de bewegingen - doorgaans hoekverdraaiingen -van de onderdelen van het schaalmodel in de verhouding 1:1 door middel van door de positieopnemers gegenereerde stuursignalen worden doorgegeven aan de verstelorganen van de manipulator, kan het vrije uiteinde van de manipulator in de juiste positie ten opzichte van het te onderzoeken object worden gebracht, waarbij de aandacht van de operator niet behoeft te worden verdeeld over de verschillende bedieningsorganen van de bijbehorende verstelorganen en de werkelijke beweging van het vrije uiteinde van de manipulator. De beweging van de manipulator kan tegelijkertijd over meer dan twee assen worden bestuurd.

Indien het noodzakelijk is botsingen tussen het vrije uiteinde van de manipulator en het te onderzoeken c.q. te behandelen object te vermijden, zoals b.v. het geval is bij een röntgensysteem dragende manipulator en een patiënt als te onderzoeken object, geeft men het schaalmodel van het object een grotere schaalverhouding dan de schaalverhouding van het schaalmodel van de manipulator.

Indien voor de schaalverhouding van het schaalmodel van de manipulator b.v. 1:10 is gekozen en het schaalmodel van het te onderzoeken object 1:9 bedraagt, kan de operator het vrije uiteinde van het manipulator-schaalmodel over een oppervlak van het objectschaalmodel verschuiven, terwijl de manipulator daarbij op afstand van het werkelijke object blijft. Aldus is een veiligheidszone gecreëerd, die botsingen met absolute zekerheid uitsluit. Bij een aldus gecreëerde veiligheidszone kan de operator c.q. de radioloog het schaalmodel van de manipulator op gevoel verplaatsen en de aandacht gericht houden op het op een beeldscherm weergegeven röntgenbeeld van het te onderzoeken lichaamsdeel van de patiënt. Dezelfde veiligheidszone kan worden verkregen door het vrije uiteinde van het schaalmodel van de manipulator met afwijkende schaal uit te voeren, b.v. door het aanbrengen van een laag materiaal van zekere dikte op het met de röntgenbron corresponderende deel van het schaalmodel van de manipulator. Deze veiligheidszone heeft tevens het voordeel dat verschillende objecten met geringe afmetingsverschilltn met hetzelfde objectschaalmodel kunnen worden onderzocht.

Het kan wenselijk zijn dat de manipulator op enkele discrete plaatsen in contact kan worden gebracht met het te onderzoeken c.q. te behandelen object. Op die plaatsen dient derhalve een "gat" in de veiligheidszone aanwezig te zijn. Een dergelijk "gat" wordt bij voorkeur verkregen door het object schaalmodel plaatselijk in een van de rest van dat schaalmodel afwijkende schaalverhouding uit te voeren, b.v. dezelfde of kleinere schaalverhouding dan die van het manipulator-schaalmodel.

Bij een objectschaalmodel met schaalverhouding 1:9 en een manipulator-schaalmodel met schaalverhouding 1:10 wordt het objectschaalmodel op een bepaalde plaats eveneens uitgevoérd met een schaalverhouding 1:10, waardoor uitsluitend op die plaats contact tussen manipulator en object mogelijk is.

Het kan wenselijk zijn dat het te onderzoeken c.q. te behandelen object beweegbaar is ondersteund op een in langs-richting verplaatsbare, en hoogterichting verstelbare, en/of kantelbare tafel.

Dit is b.v. het geval bij het röntgenonderzoek van patiënten. In dat geval dient het schaalmodel van het object te rusten op een schaalmodel van de ondersteuningstafel, die dezelfde bewegingsmogelijkheden heeft als de werkelijke ondersteuningstafel en die daarmede zodanig is gekoppeld dat schaalmodel en ondersteuningstafel in dezelfde posities breng-baar zijn.

Een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding wordt aan de hand van de tekening nader toegelicht.in de tekening is schematisch een röntgensysteem dragende manipulator weergegeven, opgesteld in een daarvoor geschikte ruimte, terwijl de besturingsmiddelen daarvoor in een afgeschermde ruimte zijn ondergebracht.

In een voor röntgenonderzoek geschikte ruimte A is een röntgensysteem dragende manipulator 1 opgesteld, alsmede een ondersteuningstafel 2 voor een patiënt 3. De manipulator 1 bestaat uit een voetplaat 19, een daarop steunend statief 20, dat ten opzichte van de voetplaat 19 verdraaibaar is om een verticale as X met behulp van een geschikt verstelorgaan. Een onderarm 21 is scharnierbaar verbonden met het statief 20 en door middel van een geschikt verstelorgaan verzwenkbaar om een horizontale as Y, terwijl een bovenarm 22 scharnierbaar met de onderarm 21 is verbonden en met behulp van een geschikt verstelorgaan verzwenkbaar is om een horizontale as Z. Het vrije uiteinde 23 van de bovenarm 22 is derhalve ruimtelijk verplaatsbaar door verdraaiing van het statief 20 en hoekver-draaiingen van de onderarm 21 ten opzichte van het statief 20 en van de bovenarm 22 ten opzichte van de onderarm 21. Aan het vrije uiteinde 23 van de bovenarm 22 is een C-vormige beugel bevestigd, waarvan het ene uiteinde is voorzien van een rönt-genstralingsbron 6, terwijl het andere uiteinde van de beugel 10 een röntgenbeeldsensor 7 draagt, waarbij uiteraard de beeldsensor 7 ligt in de stralingsbundel van de röntgenbron 6. De beugel 10 is in het punt 23 zodanig opgehangen dat de beugel 10 om drie onderling loodrechte assen verzwenkbaar is.

De ondersteuningstafel 2 voor de patiënt 3 kan in hoogte verstelbaar en in de langsrichting verschuifbaar zijn uitgevoerd, terwijl de tafel 2 verder kantelbaar kan zijn om een as evenwijdig aan de korte zijde daarvan. Het ligvlak voor de patiënt 3 op de tafel 2 wordt gevormd door een eindloze doek-band 11, die om vier in de langsrichting van de tafel 2 verlopende assen 12 is aangebracht. Tenminste een van deze assen 12 is in omtreksrichting aandrijfbaar om de patiënt 3 op het enigszins doorhangende doekband 11 een gekantelde stand te laten innemen, hetgeen voor het verkrijgen van een beter röntgenbeeld van sommige delen van het lichaam noodzakelijk resp. gewenst is, b.v. om een goede verdeling van contrastvloeistof in sommige organen van de patiënt te verkrijgen.

In een van de ruimte A afgeschermde ruimte B bevinden zich de besturingsmiddelen voor de manipulator 1 en de ondersteuningstafel 2 met de daarop liggende patiënt 3. De besturingsmiddelen bestaan uit bedieningsmiddelen 5, welke een schaalmodel 1' van de manipulator omvatten alsmede een schaalmodel 3' van de patiënt, welk schaalmodel 3' rust op een schaalmodel 2' van de ondersteuningstafel 2. Het schaalmodel 1' van de manipulator is voorzien van een aantal positieopne-mers, die de onderlinge positie van de samenstellende delen van de manipulator 1' kunnen opnemen en daarmee corresponderende stuursignalen kunnen afgeven aan een besturingseenheid 4, die met de manipulator 1 is verbonden. Op grond van deze stuursignalen worden de samenstellende delen van de manipulator 1 in dezelfde positie gebracht en gehouden als die van het schaalmodel 1' van de manipulator 1. Op'de besturingseenheid 4 is verder nog een beeldscherm 9 aangesloten voor het daarop weergeven van de röntgenbeelden, zoals deze door de beeïdseh-sor 7 worden geleverd.

De schaalverhouding van het schaalmodel 3' van de patiënt 3 wijkt af van de schaalverhouding van het schaalmodel 1' van de manipulator 1. Wanneer deze laatste schaalverhouding b.v. 1:10 wordt gekozen is de schaalverhouding voor het schaalmodel 3' van de patiënt 3 b.v. 1:9. Wanneer de röntgenbron 6' van het schaalmodel 1' van de manipulator 1 komt aan te liggen tegen b.v. de borstkas van het schaalmodel 3' van de patiënt 3, zal de werkelijke röntgenbron 6 op afstand van de borstkas van de patiënt 3 blijven. Door deze afwijkende schaalverhouding is om de patiënt 3 een veiligheidszone gecreëerd, waarin b.v. de röntgenbron 6 van de manipulator 1 niet kan binnentreden. Een dergelijke veiligheidszone kan ook worden verkregen door het schaalmodel 3' van de patiënt 3 dezelfde.schaalverhouding te geven als het schaalmodel 1' van de manipulator en op b.v. de röntgenbron 6' van het schaalmodel 1' van de manipulator 1 een materiaallaag van een zekere dikte aan te brengen. Indien het oppervlak van deze materiaallaag dan op b.v. de borstkas van het schaalmodel 3' van de patiënt 3 rust zal de röntgenbron 6 van de manipulator 1 nog op afstand van de borstkas van de patiënt 3 zijn gelegen, waarbij deze afstand wordt bepaald door de dikte van de laag die op de röntgenbron 6' van het schaalmodel 1' is aangebracht.

Eenzelfde veiligheidszone kan men creëren door het schaalmodel 11 van de manipulator 1 te omgeven door op schaal aangebrachte wanden van de ruimte A en deze wanden eveneens te bekleden met een laag materiaal, zodat bij botsing van delen van het schaalmodel 1' tegen de op schaal aangebrachte wanden de werkelijke manipulator 1 nog op enige afstand van de werkelijke wanden van de ruimte A zijn gelegen.

Met de hierboven beschreven inrichting vindt het maken van röntgenopnamen plaats op de volgende wijze:

De patiënt 3 wordt op de ondersteuningstafel 2 gelegd. De radioloog 8 plaatst vervolgens met de hand het schaalmodel 1’ van de manipulator 1 in ongeveer de juiste positie ten opzichte van het schaalmodel 2' van de patiënt 2. Vervolgens wordt een fijninstelling opgezocht waarbij de radioloog 8 kijkt naar het beeldscherm 9 en "op gevoel" het schaalmodel 1* zodanig verplaatst dat een optimaal röntgenbeeld wordt verkregen. Daarna kan het schaalmodel 3·' van de patiënt 3 voor het maken van andere röntgenfoto's worden gekanteld door de aandrijfbare as 12' van het doek 11' van het schaalmodel 2’ aan te drijven, waarbij de hoekverdraaiing van de as 12' zodanig is gekoppeld met de hoekverdraaiing van de verdraaibare as 12 dat patiënt 3 en schaalmodel 3’ in dezelfde houding zijn gekanteld. Indien de ondersteuningstafel 2 van verdere verstelmogelijkheden is voorzien b.v. een verplaatsing in langsrichting, een verstelling in hoogterichting en een kantelmogelijkheid om een korte zijde van de ondersteuningstafel 2 dient ook het schaalmodel 21 over dezelfde verstelmogelijkheden te beschikken, waarbij de bewegingen van het schaalmodel 2 op analoge wijze zijn gekoppeld met de verstel-organen van de ondersteuningstafel 2 als het geval is met de koppeling tussen het schaalmodel 1' met de manipulator 1.

Claims (6)

1. Meerassig bestuurbare manipulator, in hoofdzaak bestaande uit onderling gekoppelde draagarmen, welke door middel van bestuurbare verstelorganen zodanig beweegbaar zijn dat het vrije uiteinde van de manipulator ruimtelijk positioneerbaar en in verschillende standen brengbaar is, alsmede uit bestu-ringsmiddelen voor het aansturen van de verstelorganen, met het kenmerk, dat de besturingsmiddelen (4, 5) een schaalmodel (1', 3') van de manipulator (1) en van het te onderzoeken c.q. te behandelen object (3) bevatten, waarbij tenminste het schaalmodel (1') van de manipulator (1) met de hand bedienbaar is en is uitgerust met een reeks positieopnemers, welke stuursignalen voor het aansturen van de verstelorganen kunnen afgeven zodanig dat de manipulator (1) en het schaalmodel (11) daarvan steeds identieke standen innemen.

2. Meerassig bestuurbare manipulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het schaalmodel (1') van de manipulator (1) met evenveel positieopnemers is uitgerust als het aantal verstelorganen van de bestuurbare manipulator (1) bedraagt.

3. Meerassig bestuurbare manipulator volgens een der conclusies 1-2, met het kenmerk, dat de schaalverhouding van het schaalmodel (3') van het object (3) groter is dan de schaalverhouding van het schaalmodel (1') van de manipulator (1) ter vorming van een veiligheidszone.

4. Meerassig bestuurbare manipulator volgens een der conclusies 1-2, met het kenmerk, dat de schaalverhouding van het schaalmodel (1') van de manipulator (1) plaatselijk groter is dan die van het schaalmodel (3’) van het object door het plaatselijk opbrengen van een materiaallaag ter vorming van een veiligheidszone.

5. Meerassig bestuurbare manipulator volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de schaalverhouding van het schaalmodel (3’) van het object (3) op een of meer plaatsen kleiner of gelijk is aan de schaalverhouding van het schaalmodel (1') van de manipulator (1) en op alle overige plaatsen groter ter vorming van een of meer gaten in de veiligheidszone.

6. Meerassig bestuurbare manipulator volgens tenminste een der voorgaande conclusies, waarbij het object op een meerassig beweegbaar steunvlak is geplaatst, met het kenmerk, dat de besturingsmiddelen (5) een schaalmodel (2') van de objecton-dersteuning (2) bevatten, welk schaalmodel (2') op dezelfde wijze beweegbaar is als de objectondersteuning (2) en daarmede zodanig is gekoppeld dat objectondersteuning (2) en het . schaalmodel (2') daarvan steeds dezelfde standen, innemen.