DE69929481T2

DE69929481T2 - Chirurgischer Manipulator

Info

Publication number: DE69929481T2
Application number: DE69929481T
Authority: DE
Inventors: Steve T. Germantown Charles; Michael J. Corrales Stuart; Robert Albuquerque Stoughton; Larry Los Alamos Bronisz
Original assignee: Microdexterity Systems Inc
Current assignee: Microdexterity Systems Inc
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2019-11-23
Also published as: EP1133265A4; DE69918569T2; WO2000030557A1; JP2010221043A; DE69918569D1; EP1433431B1; WO2000030557A9; AU1825400A; EP1133265B1; DE69929481D1; JP4542710B2; EP1133265A1; JP2002530209A; JP5084865B2; EP1433431A1; US6723106B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Handhabungsvorrichtung und insbesondere eine Handhabungsvorrichtung, die zur Verwendung bei medizinischen Vorgängen einschließlich minimalinvasiver chirurgischer Operationen geeignet ist.
2. Beschreibung des technischen Zusammenhangs
Bei der herkömmlichen offenen Chirurgie im Inneren des menschlichen Körpers muss der Chirurg einen hinreichend großen Einschnitt durchführen, um den Zugriff auf den interessierenden Bereich vornehmen zu können und um eine direkte Sichtlinie auf den Bereich zu ermöglichen. Einhergehend mit der Entwicklung von Endoskopen, chirurgischen Werkzeugen, die von außerhalb des Körpers des Patienten her gehandhabt werden können, und verschiedener Abbildungstechniken wie z.B. Ultraschallabbildung, Computertomographie und Magnetresonanzabbildung, ist es jedoch möglich geworden, chirurgische Eingriffe durch sehr kleine Einschnitte oder Körperöffnungen hindurch auszuführen, deren Größe für die traditionelle offene Chirurgie ungeeignet wäre. Derartige chirurgische Eingriffe werden generell als minimalinvasive Chirurgie bezeichnet. Vorrichtungen, die bei dieser Art von Chirurgie verwendet werden können, sind beschrieben in FR-A-2734749 und EP-A-0595291.
Eine typische chirurgische Vorrichtung zur Verwendung bei der minimalinvasiven Chirurgie weist ein längliches Rohr mit einem ersten Ende, das über einen Einschnitt oder eine Öffnung in den Körper des Patienten einführbar ist, und mit einem zweiten Ende auf, das sich aus dem Körper des Patienten heraus erstreckt und das vom Chirurgen ergriffen wird. Das erste Ende ist mit einem chirurgischen Werkzeug bestückt, z.B. einer Klammerungsvorrichtung, einem Forceps, einer Schere, einem Nadelhalter oder einem Skalpell, während das zweite Ende mit einem Griff oder einem anderen Teil ver sehen ist, der vom Chirurgen ergriffen wird und der durch die Mitte des Rohrs mechanisch mit dem Werkzeug verbunden ist. Der Chirurg kann durch Handhaben des Griffs das Werkzeug betätigen, und er kann die Position des Werkzeugs verändern, indem er die Ausrichtung des Rohrs relativ zum Körper des Patienten verändert.
Die minimalinvasive Chirurgie ist in den Fällen, in denen sie anwendbar ist, gegenüber dem Patienten sehr vorteilhaft, da sie ein geringeres Trauma verursacht als die offene Chirurgie. Oft führt sie auch zu einer Senkung der Behandlungskosten und zu einer Verkürzung der Krankenhausaufenthalte. Die herkömmlichen minimalinvasiven chirurgischen Vorrichtungen sind jedoch mit mehreren Nachteilen behaftet. Ein Nachteil besteht in einer leichten Ermüdbarkeit des Chirurgen aufgrund des Erfordernisses, die minimalinvasive chirurgische Vorrichtung während ihrer Verwendung manuell zu halten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die minimalinvasiven chirurgischen Vorrichtungen dem Chirurgen abverlangen, seine Hände in einer sehr unbequemen Position zu halten. Zudem können herkömmliche minimalinvasive chirurgische Vorrichtungen eine winklige Vergrößerung von Fehlbewegungen verursachen. Folglich kann der Chirurg eine Operation bei Verwendung minimalinvasiver chirurgischer Vorrichtungen nur mit beträchtlich weniger Handhabungspräzision und Präzision durchführen als bei Durchführung einer Operation mittels herkömmlicher Techniken, bei denen der Chirurg das Werkzeug direkt erfasst. Deshalb findet die minimalinvasive Chirurgie nur bei denjenigen chirurgischen Eingriffen Anwendung, die ein geringes Maß an Handhabungspräzision vom Chirurgen verlangen.
Überblick über die Erfindung
Die vorliegende Erfindung, die in Anspruch 1 definiert ist, schafft eine Handhabungsvorrichtung, die für die Chirurgie und insbesondere für die minimalinvasive Chirurgie geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Handhabungsvorrichtung, die für diagnostische oder therapeutische medizinische Vorgänge verwendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Handhabungsvorrichtung, bei der die Ermüdbarkeit des Chirurgen während einer chirurgischen Operation reduziert werden kann, während seine Handhabungspräzision und Präzision verbessert sind.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Handhabungsvorrichtung mit hoher mechanischer Bandbreite.
Die vorliegende Erfindung schafft zudem eine Handhabungsvorrichtung, die einen kleinen Durchmesser hat, so dass sie in einen kleinen Einschnitt oder eine kleine Körperöffnung des Patienten eingeführt werden kann.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren erstellt, mit dem verschiedene medizinische Vorgänge einschließlich chirurgischer, diagnostischer und therapeutischer Vorgänge unter Verwendung eines derartigen Manipulators durchgeführt werden können.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine Handhabungsvorrichtung erste und zweite unabhängig bewegbare Arme und ein medizinisches Werkzeug auf, das schwenkbar von beiden Armen gehalten ist. Die Arme sind derart bewegbar, dass sie das Werkzeug mit mindestens drei Freiheitsgraden gehandhabt werden können. Beispielsweise können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Arme das Werkzeug mit fünf Freiheitsgraden handhaben.
Die Arme handhaben das Werkzeug mittels verschiedener Typen von Bewegungen der Arme, wie z.B. durch Drehung der Arme als Ganzes um entsprechende Achsen, oder durch Translation oder Schwenkung von Teilen jedes Arms relativ zu jedem anderen Teil, um ein Ausfahren oder Einfahren der Arme oder eine Veränderung der Form der Arme zu bewirken.
Die Handhabungsvorrichtung kann ein Gelenk aufweisen, das in der Lage ist, das Werkzeug relativ zu den Armen zu handhaben, um das Werkzeug mit zusätzlichen Freiheitsgraden zu versehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Gelenk und das Werkzeug von den anderen Teilen der Handhabungsvorrichtung abnehmbar, um ein leichtes Sterilisieren und Ersetzen des Werkzeugs zu erlauben.
Eine Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Modi betätigt werden, einschließlich eines Master-Slave-Modus, in dem ihre Bewegungen von einem Master-Controller gesteuert werden, eines robotischen Modus, oder eines halbrobotischen Modus, in dem einige Operation robotisch erfolgen und andere Operationen von einem Master-Controller gesteuert werden.
Eine Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen minimalinvasiven chirurgischen Vorrichtungen. Erstens braucht der Chirurg während der mit der Handhabungsvorrichtung durchgeführten Operation keinen Teil der Handhabungsvorrichtung zu stützen, so dass die Handhabungsvorrichtung für den Chirurgen insbesondere während langer Operationen weniger ermüdend ist. Die Handhabungsvorrichtung kann ferner eine medizinische Vorrichtung in einer Stellung halten, die mit der Hand nur schwer zu erzielen wäre. Bei der herkömmlichen minimalinvasiven Chirurgie muss die Körperwandung, durch die hindurch ein minimalinvasives chirurgisches Werkzeug eingeführt wird, typischerweise im Wesentlichen eben ausgerichtet sein und nach oben weisen. Bei einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Handhabungsvorrichtung hingegen unterliegt die Körperwandung, durch die hindurch ein minimalinvasiver chirurgischer Eingriff durchgeführt werden soll, keinerlei Restriktionen. Beispielsweise kann die Körperwandung vertikal angeordnet sein oder nach unten weisen, falls der Patient auf einem Tisch platziert werden kann, der mit einer Öffnung versehen ist, durch welche die Handhabungsvorrichtung zwecks Zugriffs auf die Körperwandung hindurchtreten kann. Somit kann ein Patient in einer Weise positioniert werden, die für den Patienten und den Chirurgen bequem und für die Sicherheit und die Genesung des Patienten vorteilhaft ist.
Ein weiterer signifikanter Vorteil der Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung die Handhabungspräzision des Benutzers verbessern kann. Während eine herkömmliche minimalinvasive chirurgische Vorrichtung unvermeidbar die Handhabungspräzision des Chirurgen gegenüber seiner Handhabungspräzision bei einer manuell vorgenommenen Operation reduziert, kann eine gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Handhabungsvorrichtung dem Chirurgen eine Handhabungspräzision vermitteln, die der mit der ununterstützten Hand erreichbaren Handhabungspräzision vergleichbar oder sogar überlegen ist.
Eine Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für minimalinvasive chirurgische Operationen oder andere medizinische Vorgänge, die durch kleine Einschnitte in der Körperwandung eines Patienten hindurch vorgenommen werden. Eine Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch neben dem Einsatz in der minimalinvasive Chirurgie auch für andere medizinische Vorgänge verwendet werden, wie z.B. für externe Chirurgie oder die traditionelle offene Chirurgie, bei der große Einschnitte in die Körperwandung erfolgen. Die Vorrichtung ist auch für nichtmedizinische Anwendungsfälle verwendbar. Beispielsweise ist sie geeignet als Mehrzweck-Handhabungsvorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung, Reparatur, Installation oder Halterung verschiedener Objekte.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Seitenansicht zur Veranschaulichung des Konzepts einer chirurgischen Handhabungsvorrichtung.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht des unteren Endes der Werkzeughaltewelle gemäß 1 zur Darstellung der Weise, in der die Werkzeughaltewelle innerhalb eines Konuswinkels gehandhabt werden kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Form einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der Dreh-Betätigungsteile in Kombination mit Linear-Betätigungsteilen verwendet werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Modifikation der Anordnung gemäß 3.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Form einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der nur Linear-Betätigungsteile verwendet werden.
6 und 7zeigt schematische Darstellungen zweier weiterer Formen einer und Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der Dreh-Betätigungsteile in Kombination mit Linear-Betätigungsteilen verwendet werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Form einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die Geometrie gemäß 7 aufweist.
10 zeigt eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die Geometrie gemäß 5 aufweist.
11 zeigt eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 10.
12 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Linear-Betätigungsteile entsprechend der Ausführungsform gemäß 10.
13 zeigt eine vergrößerte isometrische Ansicht des Welleneinführungs-Betätigungsteils entsprechend der Ausführungsform gemäß 10.
14 zeigt eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die Geometrie gemäß 8 aufweist.
15 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Werkzeughaltewelle zur Verwendung bei einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt eine Querschnittansicht der Werkzeughaltewelle gemäß 15 in Blickrichtung abwärts auf den Handgelenkmechanismus, wobei das Werkzeug und die Werkzeugwälzbewegungs-Welle weggelassen sind.
17 zeigt eine schematische Querschnittansicht der Werkzeughaltewelle, wobei die für einen Handgelenkmechanismus angeordneten Konnektoren gezeigt sind.
18 zeigt eine schematische vertikale Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines Handgelenkmechanismus zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
19 zeigt eine schematische Draufsicht auf drei Betätigungsteile zur Verwendung mit einer abnehmbaren Werkzeughaltewelle.
20 zeigt eine schematische Seitenansicht eines der Betätigungsteile gemäß 19.
21 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Betätigungsteils für eine Werkzeugrollwelle.
22 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuersystems zur Verwendung mit einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
23 zeigt eine isometrische Ansicht eines Teils der Ausführungsform gemäß 9.
24 zeigt eine explodierte isometrische Ansicht eines der Verbindungselemente des Teils gemäß 23.
25 zeigt eine aus einem anderen Winkel betrachtete explodierte isometrische Ansicht des Teils gemäß 23.
26 zeigt eine Seitenansicht von hinten, wobei die Position der Spannungsmesser an dem Rahmen des Teils gemäß 23 gezeigt sind.
27 und 28 zeigen Seitenansichten eines weiteren Beispiels eines Handge- und lenkmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung.
29 und 30 zeigen Seitenansichten zweier weiterer Beispiele eines Handge- und lenkmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung.
31 zeigt eine explodierte Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines Handgelenkmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung.
32 zeigt eine explodierte Seitenansicht weiteren Beispiels eines Handgelenkmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung.
33 und 34 zeigen Seitenansichten des Handgelenkmechanismus gemäß und 32, wobei sich das Halterohr in zwei verschiedenen Drehpositionen befindet.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Im Folgenden werden mehrere bevorzugte Ausführungsformen einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Strukturen beschränkt, und Merkmale einer Ausführungsform können frei mit Merkmalen einer oder mehrerer weiterer Ausführungsformen kombiniert werden, so dass zahlreiche Anordnungen zusätzlich zu den gezeigten Anordnungen gebildet werden, die sämtlich unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht zur konzeptionellen Darstellung der Gesamtstruktur einer Handhabungsvorrichtung 10. Die Handhabungsvorrichtung 10 ist in der Situation gezeigt, in der sie zur Durchführung einer minimalinvasiven chirurgischen Operation an einem Humanpatienten 30 verwendet wird, jedoch erstreckt sich die Verwendbarkeit der Vorrichtung wie oben erwähnt über die minimalinvasive Chirurgie hinaus auch auf andere medizinische Vorgänge. Ferner ist die Vorrichtung nicht auf die Verwen dung bei Humanpatienten beschränkt, sondern kann z.B. auch in der Veterinärmedizin verwendet werden.
Die gezeigte Handhabungsvorrichtung 10 weist eine Werkzeughaltewelle 11 auf, die an einem Ende (dem in der Figur unteren Ende) eine medizinische Vorrichtung 12 wie z.B. ein medizinisches Werkzeug trägt. In der folgenden Beschreibung wird die medizinische Vorrichtung 12 unabhängig von ihrer speziellen Ausgestaltung einfach als Werkzeug bezeichnet. Der Typs des Werkzeugs 12 unterliegt keinen Restriktionen. Bei dem Werkzeug 12 handelt es sich beispielsweise um eine Schneidvorrichtung, einen Nadelhalter, eine Klammervorrichtung, einen Forceps, eine Klemme, eine Sonde, eine Abbildungsvorrichtung, einen Laser, eine Nadel oder eine andere Biopsievorrichtung, eine Vorrichtung zum Zuführen von Medikamenten oder anderen Substanzen, oder eine andere Vorrichtung für chirurgische, therapeutische oder diagnostische Zwecke. Die Werkzeughaltewelle 11 ist gehalten und wird gehandhabt von einer Wellenhaltesstruktur 20, die zwei oder mehr unabhängig bewegbare Arme 21 und 22 aufweist, wobei jeder Arm die Werkzeughaltewelle 11 über ein oder mehrere Gelenke schwenkbar an einer unterschiedlichen Stelle hält. Bei diesem Beispiel ist der Arm 21 mit einem schwenkbaren Gelenk 23 versehen, und der Arm 22 ist mit einem anderen schwenkbaren Gelenk 24 versehen. Jeder Arm 21, 22 kann das entsprechende Gelenk 23, 24 im Raum bewegen, um die Werkzeughaltewelle 11 derart im Raum zu positionieren, dass sie eine gewünschte Position erreicht und/oder eine derartige Bewegung des unteren Endes der Werkzeughaltewelle 11 ausgeführt wird, dass das Werkzeug 12 in eine gewünschte Position relativ zum Patienten bewegt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht ein einziges Gelenk 23 oder 24 die gewünschte Anzahl von Dreh-Freiheitsgraden der Werkzeughaltewelle 11 in Bezug auf jeden Arm 21 oder 22, jedoch kann ein einziges Gelenk, das mehrere Freiheitsgrade ermöglicht, durch sein funktionales Äquivalent in Form mehrerer Gelenke ersetzt werden, von denen jedes weniger Freiheitsgrade ermöglicht als das einfache Gelenk, die jedoch zusammen die gleiche Anzahl an Freiheitsgraden ermöglichen wie das einzelne Gelenk. Die Gelenke 23, 24 sind typi scherweise passive Gelenke statt aktiver Gelenke, was bedeutet, dass eine Änderung der Ausrichtung der Werkzeughaltewelle 11 hinsichtlich der Arme 21 und 22 einfach durch Verändern der Position eines oder beider Gelenke 23, 24 durchgeführt wird, statt durch mit den Gelenken 23, 24 verbundene Betätigungsteile ein Drehmoment auf die Werkzeughaltewelle 11 auszuüben.
Die Wellenhaltestruktur 20 bildet einen parallelen Mechanismus, d.h. einen Mechanismus, bei dem das Gewicht der Werkzeughaltewelle 11 entlang mehrerer paralleler Wege, die durch die Arme 21 und 22 definiert sind, auf eine Basis oder ein anderes Halteteil übertragen wird, im Gegensatz zu einem seriellen Mechanismus, bei dem eine Last, die gehalten wird, entlang eines einzelnen Wegs auf eine Basis übertragen wird. Ein paralleler Weg ist inhärent fester, schneller, präziser und imstande zum Tragen einer höheren Last als ein serieller Mechanismus, wobei diese Merkmale besonders für eine chirurgische Handhabungsvorrichtung vorteilhaft sind.
Die Arme 21 und 22 können die Gelenke 23 und 24 mittels zahlreicher unterschiedlicher Typen von Aktionen bewegen, wie z.B. Ausfahren oder Zusammenfahren der Arme, oder durch Translation oder Schwenkung der gesamten Arme oder von Teilen der Arme.
Die Werkzeughaltewelle 11 ist nicht auf irgendeine bestimmte Form beschränkt. Oftmals ist ihr unteres Ende geradlinig, um das Einführen in den Körper des Patienten zu erleichtern, und zwecks leichterer Herstellung kann es zweckdienlich sein, dass die Werkzeughaltewelle 11 entlang ihrer gesamten Länge geradlinig ist. Die Werkzeughaltewelle kann jedoch eine große Vielfalt anderer Formen aufweisen, z.B. eine winklige oder gekrümmte Form. Die Werkzeughaltewelle weist in ihrer gezeigten Ausgestaltung über ihre gesamte Länge eine konstante Querschnittsform auf, jedoch ist diese Querschnittsform ebenfalls nicht kritisch und kann über die Länge der Welle variieren. Die gezeigte Werkzeughaltewelle 11 ist ein längliches Teil, dessen Länge im Vergleich zu seinem Durchmesser groß ist; jedoch ist das Verhält nis zwischen der Länge der Werkzeughaltewelle 11 und ihrem Durchmesser nicht wichtig. Somit kann die Werkzeughaltewelle 11 in Form eines jeden beliebigen Teils vorgesehen sein, dass geeignet ist, das Werkzeug 12 zu halten und in gewünschter Weise gehandhabt zu werden.
Das Gewicht der Werkzeughaltewelle 11 kann auf beliebige Weise zwischen den Gelenken 23, 24 verteilt werden. Bei einigen Ausrichtungen der Werkzeughaltewelle 11 kann ihr Gewicht primär oder vollständig von nur einem der Gelenke 23 gehalten werden, während bei anderen Ausrichtungen das Gewicht von beiden Gelenken gehalten werden kann. Die Positionen der Gelenke 23, 24 im Raum können variiert werden, jedoch bleibt die Ausrichtung einer Linie, welche die Drehmittelpunkte der Gelenk 23 miteinander verbindet, in Bezug auf die Werkzeughaltewelle 11 konstant. Zwei passive Gelenke reichen aus, um die Ausrichtung der Gelenke der Werkzeughaltewelle 11 im Raum zu definieren, jedoch kann bei Bedarf eine größere Anzahl von Gelenken und Armen verwendet werden, um das Gewicht der Werkzeughaltewelle 11 unter einer größeren Anzahl von Teilen zu verteilen.
Bei einigen Konfigurationen der Wellenhaltestruktur 20 können die Arme 21, 22 miteinander koplanar sein, wobei in diesem Fall die Wellenhaltestruktur 20 eine zweidimensionale Verbindung definiert. Die Wellenhaltestruktur 20 kann jedoch auch andere Konfigurationen annehmen, bei denen die Arme 21, 22 nicht Planar sind, wobei in diesem Fall die Wellenhaltestruktur 20 einen sogenannten Raum-Mechanismus oder eine sogenannte dreidimensionale Verbindung bilden kann. Die Fähigkeit der Wellenhaltestruktur 20, als ein Raum-Mechanismus zu funktionieren, vergrößert die Bewegungsfreiheit der Werkzeughaltewelle 11 und ermöglicht Bewegungen, die mit einer zweidimensionalen Verbindung nicht möglich sind.
In 1 sind die Drehmitten der Gelenke 23, 24 schematisch als mit der Längsachse der Werkzeughaltewelle 11 übereinstimmend gezeigt, jedoch können die Positionen der Drehmitten der Gelenke relativ zu der Werkzeughaltewelle 11 beliebig gewählt sein. Beispielsweise können die Gelenke die Werkzeughaltewelle 11 durch ein Zwischenteil wie z.B. einen Rahmen halten und somit von der Werkzeughaltewelle 11 beabstandet sein.
Die Wellenhaltestruktur 20 kann zum Handhaben der Werkzeughaltewelle 11 mit jeder gewünschten Anzahl von Freiheitsgraden in der Translation und/oder Drehung ausgebildet sein. Für einige einfache medizinische Vorgänge kann ein einziger Freiheitsgrad ausreichend sein, jedoch ist es häufig zweckmäßig, wenn die Werkzeughaltewelle 11 mit mehreren Freiheitsgraden handhabbar ist. Beispielsweise kann es, wenn die Werkzeughaltewelle 11 mit dem Werkzeug 12 außerhalb des Körpers des Patienten gehandhabt wird, wünschenswert sein, dass die Wellenhaltestruktur 20 in der Lage ist, die Werkzeughaltewelle 11 mit bis zu sechs Freiheitsgraden zu handhaben. Wenn jedoch das untere Ende der Werkzeughaltewelle 11 in einen Einschnitt oder eine andere Öffnung im Körper des Patienten eingeführt wird, ist es generell wünschenswert, die Anzahl der Freiheitsgrade der Werkzeughaltewelle 11 einzuschränken, um die Größe des Einschnitts zu minimieren, die zur Aufnahme der Bewegungen der Werkzeughaltewelle 11 erforderlich ist. Insbesondere, wie in 2 schematisch angedeutet, sind die Bewegungen der Werkzeughaltewelle 11, wenn diese durch einen Einschnitt 32 in der Körperwandung 31 des Patienten 30 in den Patienten-Körper eingeführt ist, vorzugsweise auf diejenigen Bewegungen beschränkt, welche die Längsachse des unteren Endes der Werkzeughaltewelle 11 innerhalb eines imaginären Konus halten, der an einem virtuellen Schwenkpunkt 13 zentriert ist, welcher in dem Einschnitt 32 angeordnet ist. Mit einem virtuellen Schwenkpunkt ist ein Punkt im Raum gemeint, um den die Werkzeughaltewelle 11 mit einem oder mehr Freiheitsgraden gedreht werden kann, ohne dass irgendeine Haltestruktur an dem virtuellen Schwenkpunkt erforderlich ist. Die Werkzeughaltewelle 11 kann in einer derartigen Weise gedreht werden, als ob tatsächlich ein Drehgelenk an dem virtuellen Schwenkpunkt 13 angeordnet wäre, jedoch ohne die strukturellen Beschränkungen, die ein derartiges Gelenk verursachen könnte. In 2 kann die Werkzeughaltewelle 11 um eine x-Achse und eine rechtwinklig zur x-Achse verlaufende y-Achse gedreht werden, wobei beide Achsen durch den virtuellen Schwenkpunkt 13 verlaufen. Ferner kann die Werkzeughaltewelle 11 entlang einer z-Achse translatorisch bewegt werden, die der Längsachse der Werkzeughaltewelle 11 entspricht. Die Größe des Konus (gemessen als Winkel), in dem sich die Werkzeughaltewelle 11 bewegen kann, kann auf der Basis von Faktoren wie der Größe des Einschnitts 32 und des Ausmaßes gewählt werden, in dem die Körperwandung 31 einer Dehnung widerstehen kann, wenn sie von der Außenfläche der Werkzeughaltewelle 11 kontaktiert wird. Innerhalb dieses Konus kann die Werkzeughaltewelle 11 derart ausgebildet sein, dass sie jede Kombination von Drehungen um die x- und/oder die y-Achse und Translationen entlang der z-Achse ausführt und dabei die Längsachse der Werkzeughaltewelle 11 mit dem virtuellen Schwenkpunkt ausgerichtet bleibt. Die Werkzeughaltewelle 11 kann bei Bedarf auch zur Drehung um die z-Achse ausgelegt sein. Um die Größe des Einschnitts 32, die zur Aufnahme eines gegebenen Konus-Winkels erforderlich ist, zu minimieren, ist der virtuelle Schwenkpunkt 13 vorzugsweise auf halbem Wege durch die Dicke der Körperwandung 31 des Patienten 30 angeordnet, wo der Einschnitt 32 oder eine andere Öffnung ausgebildet ist. Die Dicke kann von Patient zu Patient beträchtlich variieren. Sie kann weniger als einen halben Inch bei einem Kind und 4 bis 5 Inch bei einem fettleibigen Erwachsenen betragen.
Durch entsprechendes Koordinieren der Bewegungen der Arme 21, 22 kann der virtuelle Punkt 13, um den die Werkzeughaltewelle 11 schwenkbar ist, an jedem gewünschten Punkt im Raum angeordnet sein. Beispielsweise kann er an einer beliebigen Position entlang der Länge der Werkzeughaltewelle 11 vorgesehen sein. Die Veränderbarkeit der Position des virtuellen Schwenkpunkts 13 entlang der Länge der Werkzeughaltewelle 11 ist zweckmäßig, da sie es ermöglicht, das Maß, um das sich die Werkzeughaltewelle 11 in den Körper des Patienten erstreckt, auf einen gewünschten Wert einzustellen. Somit kann, wenn der Teil des Körpers des Patienten, auf den das Werkzeug 12 zugreifen soll, nahe an der Körperwandung 31 gelegen ist, der virtuelle Schwenkpunkt 13 nahe an dem unteren Ende der Werkzeughaltewelle 11 liegen, während, falls der Zugriffsbereich tiefer innerhalb des Körpers des Patienten oder weiter von dem Einschnitt 32 entfernt ist, der virtu elle Schwenkpunkt 13 weiter von dem unteren Ende der Werkzeughaltewelle 11 weg liegen kann, um eine größere Länge der in den Körper des Patienten einzuführenden Werkzeughaltewelle 11 zu erlauben.
Die Werkzeughaltewelle 11 kann in beliebiger Weise gelagert sein. In 1 ist sie an einem Boden 35 neben dem Tisch 36 angeordnet gezeigt, auf dem der Patient 30 während der Operation liegt, jedoch kann sie auch an dem Tisch 36, einer Wand, einer Decke, einem über dem Patienten 30 befindlichen Bildaufnahmegerät-Halteausleger oder an jeder beliebigen geeigneten Struktur angeordnet sein. Die Wellenhaltestruktur 20 kann an einer festen Stelle installiert sein, oder sie kann mit Rollen oder anderen Mechanismen versehen sein, um ihr Mobilität zu verleihen.
Es können zahlreiche verschiedenartige Konfigurationen verwendet werden, mittels derer die Wellenhaltestruktur 20 die Werkzeughaltewelle 11 auf die in 2 gezeigte Weise handhaben kann. Beispiele dafür sind folgende:

(a) Beide Gelenke 23, 24 können in einem zweidimensionalen Raum (in separaten Ebenen) bewegt werden, und die Werkzeughaltewelle 11 kann relativ zu dem Gelenken 23, 24 in einer Richtung translatorisch bewegt werden, die quer zu den Bewegungsebenen der Gelenke 23, 24 verläuft.
(b) Beide Gelenke 23, 24 können in einem zweidimensionalen Raum relativ zu einer Basis bewegt werden, und die Bewegungsebenen der Gelenke 23, 24 können als eine Einheit in einer quer zu den Ebenen verlaufenden Richtung bewegt werden, während sie eine konstante Positionsbeziehung zueinander einhalten, um eine Translation der Werkzeughaltewelle 11 in der z-Achsen-Richtung zu bewirken.
(c) Eines der Gelenke 23, 24 kann in einem zweidimensionalen Raum bewegt werden, während das andere Gelenk in einem dreidimensionalen Raum bewegt werden kann.
(d) Beide Gelenke 23, 24 können in einem dreidimensionalen Raum bewegt werden.

Es kann jede Kombination von (a)-(d) verwendet werden, und die Gelenke können auch auf weitere andere Arten bewegt werden.
3 zeigt schematisch die Geometrie einer Wellenhaltestruktur 50 mit der im obigen Abschnitt (a) beschriebenen Konfiguration, bei der zwei Gelenke mittels zweier entsprechender Arme jeweils in einem zweidimensionalen Raum bewegt werden. Wie in dieser Figur gezeigt, weist die Wellenhaltestruktur 50 einen ersten Arm mit einem ersten Dreh-Betätigungsteil 51 auf, das von einem stationären Support 52 wie z.B. einem stationären Rahmen gehalten ist. An dem ersten Dreh-Betätigungsteil 51 ist ein erstes Verbindungsteil 53 zur Drehung um eine erste Achse gesichert. Das erste Verbindungsteil 53 hält ein erstes Linear-Betätigungsteil 54, das entlang eines geradlinigen Wegs wirken kann, der rechtwinklig zur Drehachse des ersten Dreh-Betätigungsteils 51 verläuft. Ein zweites Verbindungsteil 55 ist an einem Ende mit dem ersten Linear-Betätigungsteil 54 verbunden und an dem anderen Ende mit einem dritten Verbindungsteil 56 verbunden, das einem ersten Halterungspunkt 57 mittels eines ersten schwenkbaren Gelenks 57 eine Werkzeughaltewelle 11 hält. Der zweite Arm weist ein zweites Dreh-Betätigungsteil 60 auf, das von einem stationären Support gehalten ist, wie z.B. von dem gleichen Rahmen 52, der das erste Dreh-Betätigungsteil 51 hält. Ein viertes Verbindungsteil 61 ist mit dem zweiten Dreh-Betätigungsteil 60 zur Drehung um eine zweite Achse verbunden. Zur Vereinfachung der Kinematik sind die Drehachsen der ersten und zweiten Dreh-Betätigungsteile 51, 60 in 3 miteinander ausgerichtet, jedoch brauchen die beiden Achsen weder miteinander ausgerichtet noch parallel zu sein. Das vierte Verbindungsteil 61 hält ein zweites Linear-Betätigungsteil 62, das entlang eines geradlinigen Wegs wirken kann, der rechtwinklig zur Drehachse des zweiten Dreh-Betätigungsteils 60 verläuft. Ein fünftes Dreh-Betätigungsteil 63 ist an einem Ende an dem zweiten Linear-Betätigungsteil 62 befestigt und an dem anderen Ende mit dem dritten Verbindungsteil 56 durch eine zweites schwenkbares Gelenk 64 an einem zweiten Halterungspunkt verbunden. Jedes der ersten und zweiten Gelenke 57, 64 ermöglicht mindestens zwei Freiheitsgrade des dritten Verbindungsteils 56 relativ zu den zweiten und fünften Verbindungsteilen 55, 63, so dass das dritte Verbindungsteil 56 relativ zu den zweiten und fünften Verbindungsteile 55, 63 Kipp- und Gierbewegungen ausführen kann. Das dritte Verbindungsteil 56 und die Gelenke 57, 64 sind ferner derart angeordnet, dass der Winkel zwischen den Verbindungsteilen 55, 63, gemessen um die Achse des dritten Verbindungsteils 56, variieren kann. Beispielsweise kann eines der Gelenke 57, 64 drei Dreh-Freiheitsgrade ermöglichen, so dass das dritte Verbindungsteil 56 zusätzlich zu der Kipp- und Gierbewegung eine Rollbewegung um seine Achse relativ zu einem der zweiten und fünften Verbindungsteile 55, 63 ausführen kann. In diesem Fall kann eines der Gelenke 57, 64 ein Knochengelenk oder ein diesem äquivalentes Gelenk sein, während das andere Gelenk ein Kugelgelenk oder ein diesem äquivalentes Gelenk ist. Alternativ kann jedes der Gelenke 57, 64 nur zwei Dreh-Freiheitsgrade aufweisen, und das dritte Gelenk 56 kann zwei Abschnitte aufweisen, die durch ein Wälzgelenk verbunden sind, dessen Drehachse mit der Achse des dritten Verbindungsteils 56 ausgerichtet ist und das den beiden Abschnitten des Verbindungsteils 56 ermöglicht, sich relativ zueinander um die Achse des dritten Verbindungsteils 56 zu drehen. Die Gelenke 57, 64 sind derart angeordnet, dass der Abstand zwischen ihnen variieren kann, wenn sie sich in parallelen Ebenen im Raum bewegen. Beispielsweise ist gemäß dieser Ausführungsform eines der Gelenke (wie z.B. das erste Gelenk 57 in 3) gegen eine Translation relativ zu dem dritten Verbindungsteil 56 in der Längsrichtung des dritten Verbindungsteils festgelegt, während das andere Gelenk (in diesem Beispiel das zweite Gelenk 64) zu einer translatorischen Bewegung relativ zu dem dritten Verbindungsteil 56 in dessen Längsrichtung in der Lage ist. Der Abstand zwischen den Gelenken 57, 64 kann auch in anderer Weise variierbar sein, z.B. indem jedes Gelenk 57, 64 gegen eine Translation relativ zu demjenigen Teil des dritten Verbindungsteils 65 festgelegt ist, an welchem das Gelenk befestigt ist und welches das dritte Verbindungsteil 56 als teleskopierbares Teil bildet.
Das dritte Verbindungsteil 56 hält die Werkzeughaltewelle 11 durch ein drittes Linear-Betätigungsteil 65 (ein Welleneinführungs-Betätigungsteil), das die Werkzeughaltewelle 11 in einer quer zu den Bewegungsebenen der ersten und zweiten Gelenke 57, 64 verlaufenden Richtung bewegen kann und das zum Einführen oder Zurückziehen der Werkzeughaltewelle 11 in den Körper des Patienten oder aus diesem verwendet werden kann, ohne die Ausrichtung der Werkzeughaltewelle 11 zu verändern. Bei der vorliegenden Ausführungsform wirkt das dritte Linear-Betätigungsteil 65 in einer Richtung, die parallel zu einer Linie verläuft, welche die ersten und zweiten Gelenke 57, 64 verbindet, kann jedoch stattdessen auch in einer anderen Richtung wirken. Die Linie der Wirkung des dritten Linear-Betätigungsteils 65 ist versetzt von einer Linie gezeigt, welche die ersten und zweiten Gelenke 57, 64 verbindet, kann jedoch auch mit dieser Linie ausgerichtet sein.
Die ersten bis fünften Verbindungsteile sind dahingehend gezeigt, dass sie aus linearen Abschnitten gebildet sind. Zum Beispiel weisen die ersten und vierten Verbindungsteile 53, 61 in ihrer gezeigten Form zwei Abschnitte auf, die rechtwinklig zueinander verlaufen, und die übrigen Verbindungsteile 55, 56 und 63 sind als geradlinige Teile gezeigt. Solange jedoch die ersten und zweiten Gelenke 57, 64 in Ebenen bewegt werden können, ist die Form der Verbindungsteile beliebig. Somit können die Verbindungsteile winklig oder gekrümmt sein oder eine Kombination aus geradlinigen und gekrümmten Abschnitten aufweisen.
4 zeigt schematisch die Geometrie einer weiteren verwendbaren Wellenhaltestruktur 50A. Dieses Beispiel weist die im obigen Abschnitt (b) beschriebene Konfiguration auf, bei der zwei Gelenke mittels zweier Arme in einem zweidimensionalen Raum bewegt werden und die Gelenke als eine Einheit in einer Richtung bewegt werden können, die quer zur Ebene der Bewegung der Gelenke verläuft. Die Gesamt-Geometrie gemäß 4 ist ähnlich ausgelegt wie die Geometrie gemäß 3, außer dass das dritte Linear-Betätigungsteil 65 (das Welleneinführungs-Betätigungsteil) wegge lassen ist und die Bewegung der Werkzeughaltewelle 11 in der z-Achsen-Richtung erzielt wird, indem die Dreh-Betätigungsteile 51, 60 als eine einzige Einheit translatorisch bewegt werden. Die Werkzeughaltewelle 11 ist starr mit dem fünften Verbindungsteil 56 verbunden. Die Dreh-Betätigungsteile 51, 60 sind mit einem Rahmen 52 verbunden, der mittels einer Basis 66, die mit einem Hubmechanismus für den Rahmen 52 versehen ist, angehoben und abgesenkt werden kann. Mit der Geometrie gemäß 4 kann die gleiche Dreh- und Translationsbewegung der Werkzeughaltewelle 11 wie mit der Geometrie gemäß 3 erzielt werden. Da das Welleneinführungs-Betätigungsteil 65 nicht erforderlich ist, kann die Größe der Handhabungsvorrichtung 50A in der Umgebung des oberen Endes der Werkzeughaltewelle 11 reduziert werden, so dass es leichter wird, die Handhabungsvorrichtung in beengten Räumen zu betätigen. Um einer größeren operationalen Flexibilität willen ist es jedoch möglich, die Anordnung gemäß 4 ferner mit einem dritten Linear-Betätigungsteil zu versehen, das dem dritten Linear-Betätigungsteil 65 gemäß 3 entspricht, um die Werkzeughaltewelle 11 in der z-Achsen-Richtung translatorisch zu bewegen und dadurch die Werkzeughaltewelle 11 in den Körper des Patienten einzuführen oder aus diesem zurückzuziehen.
5 zeigt schematisch die Geometrie einer weiteren Wellenhaltestruktur 70. Wie bei den Geometrien gemäß 3 und 4 sind zwei Gelenke für eine Werkzeughaltewelle 11 mittels erster und zweiter Arme beide in einem zweidimensionalen Raum bewegbar. Im Gegensatz zu jenen Geometrien werden bei dieser Geometrie nur Linear-Betätigungsteile zum Manövrieren der Gelenke verwendet.
Ein erster Arm weist ein erstes Verbindungsteil 71 auf, das an einem Ende mit einem stationären Support wie z.B. einer Basis verbunden ist und an einem zweiten Ende mit einem ersten Linear-Betätigungsteil 73 verbunden ist, das in gerader Linie in einer x-Achsen-Richtung bewegbar ist. Ein zweites Verbindungsteil 74 ist an einem Ende mit dem ersten Linear-Betätigungsteil 73 verbunden und an einem zweiten Ende mit einem zweiten Li near-Betätigungsteil 75 verbunden, das in gerader Linie in einer y-Achsen-Richtung bewegbar ist, die quer (z.B. senkrecht) zur x-Achsen-Richtung verläuft. Bei der vorliegenden Ausführungsform verlaufen die x- und y-Achsen rechtwinklig zueinander, jedoch ist dies nicht erforderlich. Ein drittes Verbindungsteil 76 ist an einem ersten Ende mit dem zweiten Linear-Betätigungsteil 75 und an einem zweiten Ende mit einem vierten Verbindungsteil 77 an einem ersten Halterungspunkt für die Werkzeughaltewelle mittels eines ersten schwenkbaren Gelenks 78 verbunden. Der zweite Arm weist ein fünftes Verbindungsteil 80 auf, das an einem Ende mit einem stationären Support verbunden ist, wie z.B. mit dem gleichen Teil 72, mit dem das erste Verbindungsteil 71 verbunden ist, und das an einem zweiten Ende mit einem dritten Linear-Betätigungsteil 81 verbunden ist, das in einer geraden Linie in der x-Achsen-Richtung arbeiten kann. Ein sechstes Verbindungsteil 82 ist an einem Ende mit dem dritten Linear-Betätigungsteil 81 und an dem anderen Ede mit einem vierten Linear-Betätigungsteil 83 verbunden, das in einer geraden Linie in der y-Achsen-Richtung bewegbar ist. Somit bewegt sich das dritte Linear-Betätigungsteil 82 entlang eines Wegs, der parallel zum ersten Linear-Betätigungsteil 73 verläuft, und das vierte Linear-Betätigungsteil 73 bewegt sich entlang eines Wegs, der parallel zum zweiten Linear-Betätigungsteil 75 und rechtwinklig zu dem Weg des dritten Linear-Betätigungsteils 81 verläuft. Ferner definieren die Bewegungswege der ersten und zweiten Linear-Betätigungsteile eine Ebene parallel zu derjenigen, die durch die Bewegungswege der dritten und vierten Linear-Betätigungsteile definiert ist. Die Bewegungswege der dritten und vierten Linear-Betätigungsteile können jedoch unter jedem beliebigen Winkel zueinander verlaufen, etwa dahingehend, dass sie nicht parallel sind, und die Bewegungswege der dritten und vierten Linear-Betätigungsteile 81, 83 brauchen ferner nicht parallel zu denjenigen der ersten und zweiten Linear-Betätigungsteile 73, 75 bzw. zu der Ebene zu verlaufen, die durch die Bewegungswege der ersten und zweiten Linear-Betätigungsteile definiert ist. Ein siebtes Verbindungsteil 84 ist an einem Ende mit dem vierten Linear-Betätigungsteil 83 und an dem anderen Ende mit dem vierten Verbindungsteil 77 an einem zweiten Halterungspunkt mittels eines zweiten schwenkba ren Gelenks 85 verbunden. Ein fünftes Linear-Betätigungsteil 86 (ein Welleneinführungs-Betätigungsteil), das in einer z-Achsen-Richtung quer zu den Bewegungsebenen der ersten und zweiten Gelenke 78, 85 bewegbar ist, ist an dem vierten Verbindungsteil 77 befestigt und hält die Werkzeughaltewelle 11. In 5 verläuft die z-Achse parallel zu einer geraden Linie, welche die ersten und zweiten Gelenke 78, 85 verbindet, kann jedoch auch in einer anderen Richtung verlaufen.
Jedes der ersten und zweiten Gelenke 78, 85 kann zwei Dreh-Freiheitsgrade des vierten Verbindungsteils 77 relativ zu den dritten und siebten Verbindungsteilen 76, 84 ermöglichen, so dass das vierte Verbindungsteil 77 Kipp- und Gierbewegungen relativ zu den dritten und siebten Verbindungsteilen 76, 84 ausführen kann. Eines der Gelenke 78, 85 kann drei Freiheitsgrade zulassen, um dem vierten Verbindungsteil 77 zu ermöglichen, eine Wälzbewegung zusätzlich zu der Kipp- und Gierbewegung auszuführen; da jedoch die Verbindungsteile 76 und 84 eine konstante Ausrichtung im Raum beibehalten, wird ein dritter Freiheitsgrad nicht benötigt. Die Gelenke 78, 85 sind derart angeordnet, dass der Abstand zwischen ihnen variieren kann, während sie sich in parallelen Ebenen im Raum bewegen. Beispielsweise kann eines der Gelenke (in 5 das zweite Gelenk 85) relativ zu dem vierten Gelenk 77 gegen Translation in der Längsrichtung des vierten Gelenks 77 festgelegt sein, während das andere Gelenk (in diesem Beispiel das erste Gelenk 78) zu einer translatorischen Bewegung relativ zum vierten Gelenk 77 in der Längsrichtung des Gelenks 77 in der Lage sein kann. Alternativ können beide Gelenke 78, 85 gegen Translation relativ zu dem vierten Gelenk 77 festgelegt sein, und das vierte Gelenk 77 kann eine teleskopierbare Struktur aufweisen, mittels derer der Abstand zwischen den Gelenken 78, 85 variiert werden kann.
Statt beide der Gelenke 78, 85 ausschließlich durch Linear-Betätigungsteile handzuhaben, besteht die Möglichkeit, eines (das erste oder das zweite) der Gelenke gemäß 5 mittels der Kombination eines Dreh-Betätigungsteils und eines Linear-Betätigungsteils in der gleichen Weise wie bei der Anord nung gemäß 3 handzuhaben. Beispielsweise können die Komponenten 71, 73 und 74 gemäß 5 zum Handhaben des Gelenks 78 durch ein Dreh-Betätigungsteil und ein Verbindungsteil entsprechend den Komponenten 51 und 53 gemäß 3 ersetzt werden.
6 zeigt die Geometrie einer Wellenhaltestruktur 100, bei der ein Gelenk für eine Werkzeughaltewelle 11 mittels eines entsprechenden Arms in einem zweidimensionalen Raum bewegt werden kann, während ein zweites Gelenk mittels eines weiteren Arms in einem dreidimensionalen Raum bewegt werden kann. Die ersten und zweiten Dreh-Betätigungsteile 101, 120 eines ersten bzw. zweiten Arms sind jeweils an einem stationären Support wie z.B. einem Rahmen 102 befestigt. Das erste Dreh-Betätigungsteil 101 kann ein erstes Verbindungsteil 103 um eine Achse drehen. Das erste Verbindungsteil 103 ist mit ersten und zweiten Linear-Betätigungsteilen 104, 105 verbunden, die in geraden Linien arbeiten können, welche rechtwinklig zur Drehachse des ersten Dreh-Betätigungsteils 101 und parallel zueinander verlaufen. Ein zweites Verbindungsteil 106 und ein drittes Verbindungsteil 107 sind jeweils an einem Ende mit dem ersten Linear-Betätigungsteil 104 bzw. dem zweiten Linear-Betätigungsteil 105 verbunden. Ein viertes Verbindungsteil 108 ist an einem ersten Ende mittels eines Gelenks 109 schwenkbar mit einem Ende des zweiten Verbindungsteils 106 verbunden, und ein fünftes Verbindungsteil 110 ist an einem ersten Ende mittels eines Gelenks 111 schwenkbar mit einem Ende des dritten Verbindungsteils 107 verbunden. Das zweite Ende des fünften Verbindungsteils 110 ist mittels eines Gelenks 114 an einem ersten Halterungspunkt schwenkbar mit einem sechsten Verbindungsteil 113 verbunden, an dem die Werkzeughaltewelle 11 befestigt ist. Das zweite Ende des vierten Verbindungsteils 108 ist mit dem fünften Verbindungsteil 110 durch ein Gelenk 112 verbunden, das zwischen den beiden Enden des fünften Verbindungsteils 110 angeordnet ist. Jedes der Gelenke 109, 111 und 112 ermöglicht einen Dreh-Freiheitsgrad um eine Achse, die rechtwinklig zur Drehachse des ersten Dreh-Betätigungsteils 101 verläuft, wobei die Drehachsen sämtlicher drei Gelenke parallel zueinander und rechtwinklig zu den Bewegungswegen der Linear-Betätigungsteile 104 und 105 verlaufen. Zur Vereinfachung der Kinematik ist diese Drehachse vorzugsweise mit der Drehachse des ersten Dreh-Betätigungsteils 101 ausgerichtet, jedoch brauchen die beiden Achsen nicht miteinander ausgerichtet oder parallel zu sein. Das siebte Verbindungsteil 121 ist mit dem dritten Linear-Betätigungsteil 122 verbunden, das entlang einer geraden Linie arbeitet, die rechtwinklig zur Drehachse des zweiten Dreh-Betätigungsteils 120 verläuft. Ein achtes Verbindungsteil 123 ist an einem Ende mit dem dritten Linear-Betätigungsteil 122 und an dem anderen Ende mittels eines Gelenks 124 an einem zweiten Halterungspunkt mit dem, sechsten Verbindungsteil 113 verbunden. Die Verbindungsteile 114 und 124 ermöglichen jeweils dem sechsten Verbindungsteil 113 ein Drehen mit mindestens zwei Dreh-Freiheitsgraden relativ zu den fünften und achten Verbindungsteilen 110 und 123. Das sechste Verbindungsteil 113 und die Gelenke 114,124 sind ferner derart angeordnet, dass der Winkel zwischen den Verbindungsteilen 110 und 123, gemessen um die Achse des sechsten Verbindungsteils 113, variieren kann, z.B. indem einem der Gelenke 114 und 124 drei Freiheitsgrade gegeben werden oder indem ein Wälzgelenk in das sechste Verbindungsteil 113 eingebaut ist, so dass die beiden Abschnitte des sechsten Verbindungsteils 113 relativ zueinander um die Längsachse des sechsten Verbindungsteils 113 drehbar sind. Das Gelenk 114 ist relativ zu dem sechsten Verbindungsteil 113 gegen translatorische Bewegung in der Längsrichtung des sechsten Verbindungsteils 113 festgelegt, und das Gelenk 124 ist in der Lage zu einer translatorischen Bewegung relativ zum sechsten Verbindungsteil 113 in Längsrichtung des sechsten Verbindungsteils 113, um ein Variieren des Abstands zwischen den Gelenken 114 und 124 zu ermöglichen. Alternativ können beide Gelenke 114 und 124 gegen Translation relativ zu dem sechsten Gelenk 113 festgelegt sein, und das sechste Gelenk kann eine teleskopierbare Struktur aufweisen, mittels derer der Abstand zwischen den Gelenken 114 und 124 variieren kann.
In dieser Geometrie bewegen sich die Gelenke 109 und 111 jeweils in einem zweidimensionalen Raum, d.h. in einer Ebene. Im Gegensatz dazu kann das Gelenk 114 in einer dreidimensionalen Ebene bewegt werden. Beispielswei se kann das Gelenk 114 in 6 aufwärtsbewegt werden, indem die ersten und zweiten Linear-Betätigungsteile 104, 105 derart gesteuert werden, dass das Gelenk 109 zu der Drehachse des ersten Dreh-Betätigungsteils 101 bewegt wird, wobei das Gelenk 111 stationär gehalten wird, während das Gelenk 114 in 6 abwärtsbewegt werden kann, indem die ersten und zweiten Linear-Betätigungsteile 104, 105 derart gesteuert werden, dass das Gelenk 109 von der Drehachse des ersten Dreh-Betätigungsteils 101 weg bewegt wird, wobei das Gelenk 111 stationär gehalten wird. Somit kann die Werkzeughaltewelle 11 in der z-Achsen-Richtung bewegt werden, indem der Abstand des Gelenks von der Bewegungsebene des Gelenks 124 variiert wird, ohne dass ein separates Welleneinführungs-Betätigungsteil nötig ist. Folglich kann die Größe der Haltewellen-Haltestruktur 100 nahe dem oberen Ende der Werkzeughaltewelle 11 reduziert werden, was das Handhaben der Werkzeughaltewelle 11 in beengten Räumen erleichtert.
7 zeigt eine weitere mögliche Geometrie der Wellenhaltestruktur 110A einer Handhabungsvorrichtung. Diese Geometrie ist ähnlich ausgelegt wie die Geometrie gemäß 6, ist jedoch geeignet zum Handhaben zweier Gelenke in einem dreidimensionalen Raum. Das achte Verbindungsteil 123 gemäß 6 ist jedoch durch ein achtes Verbindungsteil 125 und ein neuntes Verbindungsteil 126 ersetzt worden, die durch ein Gelenk 127 schwenkbar miteinander verbunden sind, das einen Freiheitsgrad um eine Achse herum ermöglicht, die parallel zu den Drehachsen der Gelenke 109, 111 und 112 verläuft. Ein Ende des achten Verbindungsteils 125 ist an dem dritten Linear-Betätigungsteil 122 befestigt, und ein Ende des neunten Verbindungsteils 126 ist schwenkbar mit dem sechsten Verbindungsteil 113 verbunden, und zwar durch ein Gelenk 128, das dem sechsten Verbindungsteil 113 mindestens zwei Dreh-Freiheitsgrade relativ zu dem neunten Verbindungsteil 126 verleiht. Wie bei der Ausführungsform gemäß 6 sind das sechste Verbindungsteil 113 und die Gelenke 114, 128 derart angeordnet, dass der Winkel zwischen den Verbindungsteilen 110 und 126, gemessen um die Achse des sechsten Verbindungsteils 113, mittels einer beliebigen geeigneten Struktur variiert werden kann. Im Gegensatz zu dem Verbin dungsteil 124 gemäß 6 ist das Verbindungsteil 128 in 7 gegen translatorische Bewegung relativ zu dem sechsten Verbindungsteil 113 in der Längenrichtung des sechsten Verbindungsteils 113 festgelegt. Da Gelenk 127 zwischen den achten und neunten Verbindungsteilen 125, 126 wird im zweidimensionalen Raum bewegt, während das Verbindungsteil 128 zur Bewegung im dreidimensionalen Raum in der Lage ist. Im Wesentlichen ist die translatorische Freiheit des Gelenks 124 in 6 durch das Drehgelenk 127 und das Verbindungsteil 126 ersetzt worden.
Bei dieser Geometrie kann jedes der Verbindungsteile 109, 111 und 127 in einem zweidimensionalen Raum bewegt werden, während die Verbindungsteile 114 und 128 jeweils in einem dreidimensionalen Raum bewegt werden können. Somit kann wie bei der Geometrie gemäß 6 die Werkzeughaltewelle 11 in der z-Achsen-Richtung bewegt werden, ohne dass ein separates Welleneinführungs-Betätigungsteil verwendet wird.
Bei der Geometrie gemäß 7 kann für das Verbindungsteil 128 eine einfachere Struktur verwendet werden als für das Verbindungsteil 124 bei der Geometrie gemäß 6, und die Reibung, die mit der translatorischen Bewegung des Verbindungsteils 124 gemäß 6 in Bezug auf das sechste Verbindungsteil 113 einhergeht, kann beseitigt werden. Somit ist die Geometrie gemäß 7 geeignet zur Durchführung feinerer Bewegungen der Werkzeughaltewelle 11 als die Geometrie gemäß 6.
Die Anordnungen gemäß 6 und 7 können dahingehend modifiziert werden, dass die Dreh-Betätigungsteile 101, 120 durch Linear-Betätigungsteile ersetzt werden, die das erste Verbindungsteil 103 translatorisch in einer Richtung bewegen können, welche quer (z.B. rechtwinklig) zu den Bewegungswegen der ersten und zweiten Linear-Betätigungsteile 104, 105 verläuft, und die das siebte Verbindungsteil 121 translatorisch in einer Richtung bewegen können, welche quer (z.B. rechtwinklig) zu dem Bewegungsweg des dritten Linear-Betätigungsteils 122 verläuft.
8 zeigt schematisch die Geometrie einer weiteren Wellenhaltestruktur 140 einer Handhabungsvorrichtung. Die Wellenhaltestruktur 140 kann ein Gelenk zum Halten einer Werkzeughaltewelle 11 in einem dreidimensionalen Raum und eines anderen Gelenks in einem zweidimensionalen Raum handhaben. Ein erstes Dreh-Betätigungsteil 141, das eine Drehachse aufweist, ist an einem stationären Support wie z.B. einem Rahmen oder einer Basis angeordnet. Ein erstes Verbindungsteil 142 ist an einem Ende mit dem ersten Dreh-Betätigungsteil 141 und an einem zweiten Ende mit dem ersten Ende eines zweiten Verbindungsteils 143 mittels eines Gelenks 144 verbunden, das von der Drehachse des ersten Dreh-Betätigungsteils 141 beabstandet ist. Das zweite Ende des zweiten Verbindungsteils 143 ist durch ein Gelenk 146 mit dem ersten Ende eines dritten Verbindungsteils 145 verbunden. Das zweite Ende des dritten Verbindungsteils 145 ist mittels eines Gelenks 148 für die Werkzeughaltewelle 11 schwenkbar mit einem Ende eines vierten Verbindungsteils 147 verbunden. Die Werkzeughaltewelle 11 ist an dem vierten Verbindungsteil 147 befestigt. Ein zweites Dreh-Betätigungsteil 149 dreht ein drittes Dreh-Betätigungsteil 150 um eine Drehachse. Zur Vereinfachung der Kinematik sind die Drehachsen der ersten und zweiten Dreh-Betätigungsteile 141, 149 ausgerichtet, jedoch brauchen sie nicht ausgerichtet oder parallel zu sein. Das dritte Dreh-Betätigungsteil 150 dreht ein fünftes Verbindungsteil 151 um eine Drehachse, die quer (z.B. rechtwinklig) zu der Drehachse des zweiten Dreh-Betätigungsteils 149 verläuft. Das fünfte Verbindungsteil 151 ist mit dem dritten Verbindungsteil 145 durch ein Gelenk 152 verbunden, das einen Freiheitsgrad um eine Achse aufweist, die quer (z.B. rechtwinklig) zu der Drehachse des dritten Dreh-Betätigungsteils 150 und rechtwinklig zu der Achse des Verbindungsteils 145 verläuft. Ein viertes Dreh-Betätigungsteil 160, das eine Drehachse aufweist, ist an einem stationären Support angeordnet. In 8 ist die Drehachse des vierten Dreh-Betätigungsteils 160 mit denjenigen der ersten und zweiten Dreh-Betätigungsteile 141, 149 ausgerichtet, jedoch brauchen die Achsen nicht ausgerichtet oder parallel zu sein. Ein sechstes Verbindungsteil 161 ist an einem Ende mit dem vierten Dreh-Betätigungsteil 160 verbunden und an einem zweiten Ende mit einem Linear-Betätigungsteil 162 verbun den, das in einer geraden Linie wirkt. Bei dem vorliegenden Beispiel verläuft der Bewegungsweg des Linear-Betätigungsteils 162 rechtwinklig zu der Drehachse des vierten Dreh-Betätigungsteils 160, so dass sich jeder Punkt auf dem Verbindungsteil 163 in einer Ebenen bewegt; es ist jedoch stattdessen auch möglich, dass der Bewegungsweg nicht rechtwinklig zu der Drehachse des vierten Dreh-Betätigungsteils 160 verläuft. Ein siebtes Verbindungsteil 163 ist an einem Ende mit dem Linear-Betätigungsteil 162 und an dem anderen Ende mit einem zweiten Gelenk 164 verbunden, das schwenkbar mit dem vierten Verbindungsteil 147 verbunden ist. Das Gelenk 148 ist gegen Translation relativ zu dem vierten Verbindungsteil 147 in dessen Längsrichtung festgelegt. Ferner sind die Gelenke 148 und 164 derart angeordnet, dass der Abstand zwischen ihnen variieren kann. Beispielsweise kann das Gelenk 164 zu einer translatorischen Bewegung relativ zu dem vierten Verbindungsteil 147 in dessen Längsrichtung in der Lage sein, oder das Gelenk 164 kann gegen Translation relativ zu dem vierten Verbindungsteil 147 festgelegt sein, und das vierte Verbindungsteil 147 kann eine teleskopierbare Struktur aufweisen. Jedes der Gelenke 148, 164 erlaubt dem vierten Verbindungsteil 147 ein Verschwenken relativ zu dem dritten oder siebten Verbindungsteil 145, 163 mit mindestens zwei Dreh-Freiheitsgraden. Das vierte Verbindungsteil 147 und die Gelenke 148, 164 sind ferner derart angeordnet, dass der Winkel zwischen den Verbindungsteilen 145 und 163, gemessen um die Achse des vierten Verbindungsteils 147, variieren kann. Beispielsweise kann eines der Gelenke 148, 164 drei Dreh-Freiheitsgrade ermöglichen, oder die Gelenke 148, 164 können zwei Dreh-Freiheitsgrade ermöglichen, und es kann ein zusätzliches Drehgelenk (oder Wälzgelenk) in dem vierten Verbindungsteil 147 enthalten sein, um das vierte Verbindungsteil 147 in zwei Abschnitte zu unterteilen, die relativ zueinander um die Längsachse des vierten Verbindungsteils 147 drehbar sind.
Für die Gelenke 144 und 146 können zahlreiche verschiedene Strukturen verwendet werden. Beispielsweise können beide Gelenke drei Freiheitsgrade aufweisen (z.B. in Form zweier Kugelgelenke oder Äquivalente derselben), oder ein Gelenk kann zwei Freiheitsgrade aufweisen (z.B. in Form eines Kardangelenks oder eines Äquivalents desselben), während das andere Gelenk drei Freiheitsgrade aufweist (z.B. in Form eines Kugelgelenks oder eines Äquivalents desselben), oder beide Gelenke können zwei Freiheitsgrade aufweisen (z.B. in Form zweier Kugelgelenke oder Äquivalente derselben) und ein weiteres Gelenk (ein Wälzgelenk) kann in das zweite Verbindungsteil 143 eingebaut sein, um den beiden Abschnitten des zweiten Verbindungsteils 143 zu ermöglichen, sich relativ zueinander um die Längsachse des zweiten Verbindungsteils 143 zu drehen.
Von den fünf Betätigungsteilen, die bei dieser Anordnung verwendet werden, sind drei stationär, und das dritte Betätigungsteil 150 und das Linear-Betätigungsteil 162 können derart angeordnet werden, dass ihre Schwerpunkte so nahe wie möglich an den Drehachsen der zweiten und vierten Dreh-Betätigungsteile 149 bzw. 160 angeordnet sind, so dass ihre Trägheitsmomente um diese Achsen herum minimiert sind. Somit kann die Wellenhaltestruktur 140 als Ganzes ein sehr geringes Trägheitsmoment aufweisen, was unter dem Aspekt einer Erhöhung der Handhabungspräzision der Handhabungsvorrichtung wünschenswert ist.
Die ersten, zweiten und dritten Dreh-Betätigungsteile 141, 149, 150 können zusammen das Gelenk 148 in eine beliebige Position im dreidimensionalen Raum bewegen, während das vierte Dreh-Betätigungsteil 160 und das Linear-Betätigungsteil 162 zusammen das Gelenk 164 in eine beliebige Position im zweidimensionalen Raum bewegen können. Durch entsprechende Steuerung der Positionen der Gelenke 148 und 164 kann die Werkzeughaltewelle 11 mit einem virtuellen Schwenkpunkt ausgerichtet gehalten werden, und die Werkzeughaltewelle 11 kann in der z-Achsen-Richtung bewegt werden, ohne dass ein Welleneinführungs-Betätigungsteil erforderlich ist.
In einer Weise ähnlich derjenigen, in der die Ausführungsform gemäß 6 zur Bildung der Ausführungsform gemäß 7 modifiziert werden kann, kann die Ausführungsform gemäß 8 dahingehend modifiziert werden, dass das Verbindungsteil 163 durch zwei schwenkbar miteinander verbun dene Verbindungsteile ersetzt wird (die den Verbindungsteilen 125 und 126 gemäß 7 entsprechen) und das zweite Gelenk 164 durch ein Gelenk ersetzt wird, das dem Gelenk 128 gemäß 7 entspricht, das gegen eine translatorische Bewegung relativ zu dem Verbindungsteil 147 festgelegt ist.
Eine Wellenhaltestruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Ausrichtungen gemäß 3-8 beschränkt und kann jede gewünschte Ausrichtung relativ zur Vertikalen einnehmen. Beispielsweise kann bei der Anordnung gemäß 6 die Ausrichtung um 180 Grad umgekehrt werden, so dass das erste Dreh-Betätigungsteil 101 und die ersten und zweiten Linear-Betätigungsteile 104, 105 unter dem zweiten Dreh-Betätigungsteil 130 und dem dritten Linear-Betätigungsteil 122 angeordnet sind.
Die bei den Ausführungsformen gemäß 3-8 verwendeten Linear- und Dreh-Betätigungsteile sind nicht auf irgendeinen bestimmten Typ beschränkt. Zu den Beispielen geeigneter Linear-Betätigungsteile zählen Linear-Elektromotoren, Drehmotoren, die so angeschlossen sind, dass sie Umsetzmechanismen (wie z.B. Bügelschrauben oder Zahnstangengetriebe) zum Umsetzen von Dreh- zu Linearbewegung antreiben, und hydraulische oder pneumatische Zylinder. Wenn die Werkzeughaltewelle nur eine kleine Anzahl von Ausrichtungen anzunehmen braucht, können Linear-Betätigungsteile verwendet werden, die nur für eine kleine Anzahl diskreter Zustände ausgelegt sind, z.B. ein Magnet; wenn jedoch gewünscht ist, die Werkzeughaltewelle über einen fortlaufenden Bereich von Winkeln relativ zur Vertikalen zu bewegen, ermöglichen die Linear-Betätigungsteile vorzugsweise eine im Wesentlichen kontinuierlichen Positions- und Kraftsteuerung. Unter den verschiedenen Typen von Linear-Betätigungsteilen sind Linear-Elektromotoren besonders geeignet, insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen eine präzise Steuerung des Werkzeughaltewellen-Winkels gewünscht ist. Linearmotoren erzeugen eine lineare Abtriebskraft, so dass sie verwendbar sind zum direkten Antreiben von Teilen der Werkzeughaltestruktur ohne die Notwendigkeit von Kugelgewindespindeln, Kabeln oder anderer Bewegungsumsetzmechanismen (die einen Gegenschlag, eine ver größerte Trägheit und eine vergrößerte Reibung verursachen, was in jedem Fall nachteilig für eine präzise Steuerung der Werkzeughaltewelle ist). Somit ermöglichen Linearmotoren ein Handhaben der Werkzeughaltewelle mit hoher Präzision. Zudem ist die bewegbare Masse eines Linearmotors im Wesentlichen unabhängig vom Bewegungsbereich des bewegbaren Teils des Motors. Im Gegensatz dazu tendiert bei den meisten anderen Typen von Linear-Betätigungsteilen, einschließlich hydraulischer Zylinder oder Motoren, die mit Kugelgewindespindeln verbunden sind, ein Betätigungsteil mit einem langen Bewegungsbereich dazu, eine größere bewegbare Masse, die eine Drehung und/oder Translation vollzieht, aufzuweisen als ein Betätigungsteil mit einem kurzen Bewegungsbereich. Somit können Linearmotoren, die als Linear-Betätigungsteile verwendet werden, einen langen Bewegungsbereich aufweisen, während sie dennoch eine geringe bewegbare Masse und ein niedriges Trägheitsmoment aufweisen. Ein weiterer Vorteil von Linearmotoren besteht darin, dass sie eine sehr geringe Reibung zeigen, was zusammen mit der geringen bewegbaren Masse und der geringen Trägheit eine hohe Zweckmäßigkeit unter dem Aspekt des Erzielens einer präzisen Kraftsteuerung und/oder Positionssteuerung sowie einer glatten Bewegung ermöglicht. Diese niedrige Reibung führt dazu, das die Linearmotoren rückantreibbar sind, d.h. sie können durch eine externe Kraft angetrieben werden, die in Gegenrichtung zu der Richtung der vom Motor ausgeübten Kraft ausgeübt wird. Diese Rück-Antreibbarkeit ist bei einer chirurgischen Handhabungsvorrichtung zweckmäßig, da sie der Handhabungsvorrichtung Anpassbarkeit verleiht. Wenn sich somit z.B. der Patient während des chirurgischen Eingriffs aufgrund einer unbeabsichtigten Muskelbewegung bewegt und eine Kraft auf irgendeinen Teil der Handhabungsvorrichtung ausübt, können die Handhabungsvorrichtungen 10 rück-angetrieben werden, um der Handhabungsvorrichtung zu ermöglichen, sich unter der vom Patienten ausgeübten Kraft zu bewegen, statt sich als starres Objekt zu verhalten. Somit vergrößert die Rück-Antreibbarkeit die Sicherheit einer Handhabungsvorrichtung. Ein besonders bevorzugtes Beispiel eines Linear-Betätigungsteils ist ein Permanentmagnet-Gleichstrom-Linearmotor des Typs, der von Trilogy Systems in Webster, Texas, und von Northern Magnetics in Santa Clarita, California hergestellt wird, obwohl auch andere Varianten und Marken von Linearmotoren verwendet werden können, wie z.B. Wechselstrom-Vektorantrieb-Linearmotoren. Bei den gezeigten Ausführungsformen weisen die mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Elektromotoren eine stationäre Magnetbahn und eine bewegbare Wicklungseinheit auf, die entlang der Magnetbahn bewegbar ist; es ist jedoch auch möglich, Motoren mit einem bewegbaren Magneten und einer stationären Wicklungseinheit zu verwenden.
Die Dreh-Betätigungsteile sind ebenfalls nicht auf einen bestimmten Typ beschränkt. Bürstenlose schlitzlose Gleichstrommotoren sind besonders geeignet, um Drehmomentabweichungen und Verkämmung zu vermeiden, jedoch können auch andere Typen wie z.B. Schrittmotoren verwendet werden. Wenn ein Motor als Dreh-Betätigungsteil verwendet wird, ist der Motor vorzugsweise direkt mit einem zu drehenden Verbindungsteil verbunden, um Gegenschlag, Reibung und Trägheit zu reduzieren und die Fähigkeit zur direkten Steuerung des auf den Motor aufgebrachten Drehmoments zu verbessern, wobei es jedoch auch möglich ist, ein Untersetzungsgetriebe zwischen dem Motor und dem Verbindungsteil anzuordnen.
Die verschiedenen Betätigungsteile können mit Sensoren ausgestattet sein, um die Positionen der bewegbaren Teile der Betätigungsteile oder der von den Betätigungsteilen bewegten Teile zu detektieren und dadurch ein Bestimmen der Stellen der Gelenke für die Werkzeughaltewelle zu ermöglichen. Es kann eine weite Vielfalt herkömmlicher Sensoren verwendet werden, um die Positionen mechanisch, magnetisch, optisch oder in anderer Weise zu detektieren. Wenn eine Positions-Feinsteuerung eines Linear-Betätigungsteils gewünscht ist, ist ein holographischer interferometrischer Linearkodierer besonders geeignet zur Verwendung als Positionssensor, da er eine Position mit einer feinen Auflösung von sogar 10 Nanometern erfassen kann. Ein Beispiel eines verwendbaren holographischen interferometrischen Linear-Positionssensors ist der von MicroE, Inc. in Natrick, Massachusetts hergestellte Sensor. Ein derartiger Linear-Positionssensor weist eine längliche Positionsskala und eine Positionsleseeinheit auf, in der ein Schlitz ausgebildet ist, in dem die Positionsskala bewegbar angeordnet werden kann. Entweder die Positionsskala oder die Positionsleseeinheit können an einem bewegbaren Teil des Linear-Betätigungsteils angeordnet sein, und die andere der beiden kann an einem stationären Teil angeordnet sein. Die Positionsleseeinheit erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das die Position der Positionsskala relativ zu der Positionsleseeinheit angibt. Ein Beispiel eines Positionssensors, der zur Verwendung mit Dreh-Betätigungsteilen geeignet ist, ist ein von MicroE, Inc. hergestellter holographischer interferometrischer Drehkodierer.
In ähnlicher Weise können die verschiedenen Betätigungsteile mit Sensoren zum Detektieren der von den Betätigungsteilen aufgebrachten Kräfte oder Drehmomente versehen sein und dadurch ein Bestimmen der auf die Werkzeughaltewelle aufgebrachten Kräfte und Drehmomente ermöglichen. Diese sensorische Information kann in einer Feedback-Regelschleife verwendet werden, um die auf die Werkzeughaltewelle aufgebrachten Kräfte und Drehmomente zu steuern, und/oder – bei Verwendung in Verbindung mit einer Antriebssteuervorrichtung, die zum Erzeugen von Kräften in der Lage ist – um ein Feedback dieser Kräfte und Drehmomente zum Chirurgen oder Bediener, der die Werkzeughaltewelle steuert, zu ermöglichen.
Zum Detektieren der von den Betätigungsteilen aufgebrachten Kräfte oder Drehmomente kann jedes bekannte Verfahren der Messung von Kräften und/oder Drehmomenten angewandt werden. Ein Beispiel eines geeigneten Verfahrens besteht in der Anordnung von Spannungsmessern an strukturellen Teilen.
9 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Handhabungsvorrichtung, welche die Geometrie gemäß 7 aufweist und zwei Gelenke im dreidimensionalen Raum bewegen kann. Die Handhabungsvorrichtung weist eine Werkzeughaltewelle 170, die an einem Ende ein chirurgisches Werkzeug 171 trägt, und eine Wellenhaltestruktur 180 auf, welche die Werk zeughaltewelle 170 trägt und in der Lage ist, die Werkzeughaltewelle 170 mit mehreren Freiheitsgraden zu handhaben.
Die Wellenhaltestruktur 180 weist ein Support-Basis 181 auf, die bei Positionierung an einem Boden 182 gezeigt ist. Die Basis 181 kann mit Rollen oder anderen Teilen versehen sein, um ihr Mobilität zu verleihen, oder sie kann als stationäres Teil vorgesehen sein. An der Basis 181 ist ein Halterahmen 183 befestigt. Zur Vergrößerung des Bewegungsbereichs der Werkzeughaltewelle 170 kann die Basis 181 mit einem Mechanismus zum Anheben oder Absenken oder anderweitigen Bewegen des Halterahmens versehen sein. Beispielweise kann die Basis einen stationären unteren Teil 181a und einen oberen Teil 181b aufweisen, der relativ zu dem unteren Teil 181a angehoben oder abgesenkt und/oder um eine vertikale Achse gedreht werden kann. Der obere Teil 181b kann mittels jeder beliebigen geeigneten Anordnung angehoben und abgesenkt werden, z.B. durch hydraulische Zylinder, pneumatische Zylinder oder einen Elektromotor, der sich in Antriebsverbindung mit dem oberen Teil 181b befindet, z.B. über ein Zahnrad, das in eine an dem oberen Teil 181b ausgebildete Zahnstange eingreift. Wenn der obere Teil 181b relativ zu dem unteren Teil 181a drehbar ist, kann er durch einen Antriebsmechanismus wie z.B. einen Motor gedreht werden, oder er kann manuell drehbar sein. Es kann eine lösbare mechanische Verriegelung vorgesehen sein, um bei Bedarf den oberen Teil 181b in an einer Drehung zu hindern.
Der Rahmen 183 hält erste und zweite Arme, die erste und zweite Dreh-Betätigungsteile 185, 200 in Form bürstenloser Gleichstrommotoren aufweisen, deren Drehachsen miteinander ausgerichtet sind. Jeder Dreh-Betätigungsteil kann mit einem nicht gezeigten Kodierer oder einem anderen Typ von Drehpositionssensor zum Detektieren der Drehposition seiner Abtriebswelle versehen sein. Er kann auch mit einem Drehmomentsensor zum Detektieren des Abtriebs-Drehmoments des Betätigungsteils versehen sein.
Die Abtriebswelle des ersten Dreh-Betätigungsteils 185 ist mit dem Rahmen 186 verbunden, an dem erste und zweite Linear-Betätigungsteile 187, 188 angeordnet sind. Das erste Linear-Betätigungsteil 187 kann ein erstes Verbindungsteil 190 in der Längenrichtung des ersten Verbindungsteils 190 translatorisch bewegen, und das zweite Linear-Betätigungsteil 188 kann ein zweites Verbindungsteil 191 in der Längenrichtung des zweiten Verbindungsteils 191 translatorisch bewegen. Beide Linear-Betätigungsteile 187, 188 wirken in einer Richtung, die rechtwinklig zur Drehachse des ersten Dreh-Betätigungsteils 185 verläuft. Ein Ende des ersten Verbindungsteils 190 ist mittels eines Gelenks 193 schwenkbar mit einem ersten Ende eines dritten Verbindungsteils 192 verbunden, und ein Ende des zweiten Verbindungsteils 191 ist mittels eines Gelenks 195 schwenkbar mit dem ersten Ende eines vierten Verbindungsteils 194 verbunden. Das zweite Ende des vierten Verbindungsteils 194 ist mittels eines Gelenks 198 schwenkbar mit einem Halterahmen 197 verbunden, und das zweite Ende des dritten Verbindungsteils 192 ist mit dem vierten Verbindungsteil 194 zwischen seinen beiden Enden mittels eines Gelenks 196 schwenkbar verbunden.
Das zweite Dreh-Betätigungsteil 200 dreht ein drittes Linear-Betätigungsteil 201 um die Drehachse des zweiten Dreh-Betätigungsteils 200. Das dritte Linear-Betätigungsteil 201 kann ein fünftes Linear-Betätigungsteil 205 in einer Richtung rechtwinklig zur Drehachse des zweiten Dreh-Betätigungsteils 200 bewegen. Ein Ende des fünften Verbindungsteils 205 ist durch ein Gelenk 207 schwenkbar mit dem ersten Ende eines sechsten Verbindungsteils 206 verbunden. Das zweite Ende des sechsten Verbindungsteils 206 ist mittels eines Gelenks 208 schwenkbar mit dem Halterahmen 197 verbunden.
Jedes der Linear-Betätigungsteile 187, 188, 201 weist einen bürstenlosen Linear-Gleichstrommotor mit einer langgestreckten Magnetbahn 187a, 188a, 201a und einer Wicklungseinheit 187b, 188b, 201b auf, die sich translatorisch entlang der Magnetbahn bewegen kann, obwohl, wie oben angeführt, die Wicklungseinheiten stationär sein können und die Magnetbahnen relativ zu den Wicklungseinheiten translatorisch bewegbar sein können. Jede Wicklungseinheit kann direkt von der entsprechenden Magnetbahn oder von einen am Linearmotor vorgesehenen Lager gehalten sein, oder sie kann von einem Teil gehalten sein, das separat von dem Linearmotor ausgebildet ist, z.B. einem Linearlager, das parallel zur Magnetbahn verläuft. Ein Kugel-Gleitelement oder ein rezirkulierendes Linear-Gleitelement sind besonders geeignet als Linearlager, da sie einen äußerst niedrigen Reibkoeffizienten aufweisen. Zu den Beispielen geeigneter Kugel-Gleitelemente zählen diejenigen, die von THK Co. Ltd., Japan und Deltron Precision, Inc. in Bethel, Connecticut erhältlich sind. Ein niedriger Reibkoeffizient ist bei einer Linearführung hoch vorteilhaft, da sie den Linearmotoren (und somit den Gelenken für die Werkzeughaltewelle) die Möglichkeit gibt, sich in äußerst feinen Inkrementen zu bewegen, mit dem Ergebnis, dass die Ausrichtung der Werkzeughaltewelle mit einem hohen Präzisionsgrad steuerbar ist und passiv rück-antreibbar ist. Der niedrige Reibkoeffizient verbessert ferner die Fähigkeit eines Steuersystems, die auf die Werkzeughaltewelle 170 aufgebrachten Kräfte zu steuern. Jedes der ersten, zweiten und fünften Verbindungsteile ist schematisch dahingehend gezeigt, dass es auslegerartig von einer der Wicklungseinheiten gehalten ist, jedoch können die Verbindungsteile auch in einer anderen geeigneten Weise gehalten sein. Beispielsweise kann jedes Verbindungsteil durch den bewegbaren Teil eins Linearlagers in der gleichen Weise gehalten sein, wie es für die Wicklungseinheiten gilt.
Jedes der Verbindungsteile 198 und 208 ermöglicht mindestens zwei Dreh-Freiheitsgrade des Halterahmens 197 relativ zu den vierten und siebten Verbindungsteilen 194, 206, so dass der Halterahmen 197 Kipp- und Gierbewegungen relativ zu diesen Verbindungsteilen ausführen kann. Ferner kann jedes der Verbindungsteile 198, 208 drei Freiheitsgrade ermöglichen, so dass der Halterahmen 197 relativ zu einem der Verbindungsteile 194 und 206 rollen kann. Beispielsweise kann eines der Gelenke ein Kardangelenk oder ein Äquivalent desselben sein, während das andere Gelenk ein Kugelgelenk oder ein Äquivalent desselben ist. Alternativ können beide Gelenke 198, 208 zwei Dreh-Freiheitsgrade aufweisen, und in dem Halterahmen 197 kann ein Wälzgelenk enthalten sein, um zu ermöglichen, dass sich zwei Abschnitte des Halterahmens 197 relativ zueinander und um die Längsachse des Halterahmens 197 drehen.
Die Werkzeughaltewelle 170 ist als relativ zum Halterahmen 197 stationär gezeigt, kann jedoch stattdessen bewegbar sein. Wie weiter unten noch detaillierter beschrieben wird, kann es vorteilhaft sein, wenn die Werkzeughaltewelle 170 leicht von dem Halterahmen 197 abnehmbar ist, damit die Werkzeughaltewelle leicht ersetzt oder sterilisiert werden kann. Die Längsachse der Werkzeughaltewelle 170 ist versetzt von einer Linie gezeigt, welche die Mitten der Gelenke 198 und 208 verbindet, könnte jedoch auch mit dieser Linie übereinstimmen.
Zur Vereinfachung der Struktur und der Kinematik der Handhabungsvorrichtung sind sämtliche der Verbindungsteile geradlinige Teile, und die ersten, zweiten und fünften Verbindungsteile 190, 191 und 205 werden von den entsprechenden Linear-Betätigungsteilen in parallelen Ebenen bewegt, die rechtwinklig zur Ebene der Zeichnung verlaufen. Die Form der Verbindungsteile kann jedoch beliebig gewählt werden, und die ersten, zweiten und fünften Verbindungsteile können sich auch in nichtparallelen Ebenen bewegen.
Falls die Drehachsen der Dreh-Betätigungsteile 185, 200 koaxial miteinander sind, kann die Werkzeughaltewelle 170 um diese Achsen geschwenkt werden, ohne dass die Positionen der Verbindungsteile relativ zueinander verändert werden, und zwar entweder durch gleichzeitige Betätigung der Dreh-Betätigungsteile 185, 200 in der gleichen Richtung oder von Hand bei abgeschalteten Dreh-Betätigungsteilen. Es können Verriegelungsteile vorgesehen sein, um, wenn die Werkzeughaltewelle in der erwähnten Weise geschwenkt wird, eine Bewegung der Verbindungsteile relativ zueinander zu verhindern. Beispielsweise können die Wicklungseinheiten 187b, 188b, 201b der Linearmotoren mit Verriegelungsmechanismen versehen sein, so dass sie in Bezug auf die entsprechenden Magnetbahnen lösbar immobilisiert werden können. Falls die Dreh-Betätigungsteile 185, 200 nichtausgerichtete Achsen haben, kann es wünschenswert sein, den oberen Teil 181b der Basis 181 um eine vertikale Achse relativ zu dem unteren Teil drehbar auszubilden, wobei in diesem Fall die Werkzeughaltewelle 170 um eine vertikale Achse gedreht werden kann, indem der obere Teil 181b der Basis 181 und sämtliche von ihm getragenen Teile gedreht werden.
Die Linear-Betätigungsteile 187, 188 können aufgrund der Belastung durch das Gewicht der Werkzeughaltewelle 170 und sämtlicher daran montierter zusätzlicher Betätigungsteile oder anderer Komponenten einem gewissen Maß an Schwerkrafteinwirkung ausgesetzt sein. Die Schwerkraftbelastung kann vollständig von den Betätigungsteilen 187 und 188 getragen werden, oder es kann ein Gegenbalance-Mechanismus zwischen den Verbindungsteilen 190, 191 und dem Rahmen 186 hinzugefügt werden, um diese Belastung auszugleichen. Zu diesem Zweck kann jeder bekannte Gegenbalance-Mechanismus verwendet werden, einschließlich Kraftfedern, Luftzylindern mit niedriger Reibung und ähnlicher Vorrichtungen.
An verschiedenen Stellen können Kraftsensoren installiert sein, um die von den Betätigungsteilen ausgeübten Kräfte oder die auf verschiedene Teile der Handhabungsvorrichtung einwirkenden Kräfte zu detektieren. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedes der Gelenke 193, 195 und 207 mit einem Kraftsensor zum Detektieren der von jedem der Linear-Betätigungsteile 187, 188 und 201 aufgebrachten Axialkraft versehen. 23 zeigt eine isometrische Ansicht der mit den Gelenken 193, 195 und 207 verbundenen Verbindungsteile, und 24-26 zeigen Ansichten verschiedener Teile des Kraftsensors für das Gelenk 195. Die Kraftsensoren für die Gelenke 193 und 207 können von ähnlicher Struktur sein. Wie in diesen Figuren gezeigt, weist das Gelenk 195 eine Platte 195a auf, an deren einer Seite eine Welle 195b gelagert ist, die drehbar mit Lagern zusammengreift, welche am Ende des Verbindungsteils 194 angeordnet sind. Das Gelenk 195 ist von einem Verbindungsteil 191 durch einen Rahmens 210 gehalten, an dem ein oder mehrere Spannungsmesser angeordnet sind, um die Spannungen zu mes sen, die aus den auf das Verbindungsteil 191 aufgebrachten Axialkräften resultieren. Der Rahmen 210 weist einen äußeren rechteckigen Rand 211 auf, der durch Stifte, Schweißungen oder andere geeignete Mittel an dem Verbindungsteil 191 befestigt ist. Der Rahmen 210 weist ferner eine Platte 212 auf, die an dem Rand 211 befestigt ist (beispielweise können der Rand 211 und die Platte 212 einstückig miteinander oder als separate Teile ausgebildet sein) und mehrere Öffnungen 212a aufweist, die mehrere Schenkel definieren. Die gezeigte Platte 212 weist zwei vertikale Schenkel 212b und zwei horizontale Schenkel 212c auf, welche die vertikalen Schenkel 212b kreuzförmig schneiden. Das Gelenk 195 ist derart an dem Rahmen 210 befestigt, dass die Schenkel den auf das Gelenk 195 ausgeübten Kräften widerstehen kann. Beispielsweise hat das gezeigte Gelenk 195 eine Welle 195c, die von der der Welle 195b gegenüberliegenden Seite der Platte 195a absteht und durch eine Öffnung 212d in der Mitte der Platte 212 des Rahmens 210 hindurchläuft. Die Befestigung der Welle 195c an der Platte 212 kann durch eine Mutter oder eine andere Befestigungsvorrichtung, durch Verbonden oder ein anderes gewünschtes Verfahren erfolgen, das ermöglicht, dass die auf das Gelenk 195 einwirkenden Kräfte auf den Rahmen 210 übertragen werden. Die Welle 195c kann einen Teil aufweisen, der mit der im Rahmen 210 ausgebildeten Öffnung 212d zusammengreift, um eine korrekte Ausrichtung des Gelenks 195 relativ zu dem Rahmen 210 zu gewährleisten. Beispielsweise hat die gezeigte Welle 195c einen Schlitz 195d, der mit einem in der Öffnung 212d ausgebildeten Vorsprung zusammengreift.
An dem Rahmen 210 kann jede gewünschte Anzahl von Spannungsmessern zum Messen der aufgebrachten Belastungen angeordnet sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind gemäß 26 zwei zum Detektieren aufgebrachter Kräfte vorgesehene Spannungsmesser 214a (die im Folgenden als Lastdetektions-Spannungsmesser bezeichnet werden) an der Rückfläche (der Fläche, die dem Verbindungsteil 191 zugewandt ist) der vertikalen Schenkel 212b angeordnet, und zwei weitere Spannungsmesser 214b (von denen nur einer gezeigt ist) zur Temperatur-Kompensation sind an Teilen des Rahmens 210 angeordnet, die während des Betriebs der Handhabungs vorrichtung 10 im Wesentlichen belastungsfrei sind, wie z.B. an den vertikalen Seitenflächen des äußeren Randes 211 des Rahmens 210. Der Außentemperatur-Kompensations-Spannungsmesser 214b kann z.B. an der vertikalen Seitenfläche an der gegenüberliegenden Seite des Randes 211 angeordnet sein. Die vier Spannungsmesser 214a, 214b können zur Bildung einer Wheatstone-Brücke miteinander verbunden sein, wobei jeder der Spannungsmesser 214a an den vertikalen Schenkeln 212b elektrisch in Serie mit einem der Temperatur-Kompensations-Spannungsmesser 214b verbunden ist. Der Wheatstone-Brücke kann in herkömmlicher Weise eine Spannung zugeführt werden, und das Ausgangssignale der Wheatstone-Brücke gibt die von dem Spannungsmesser gefühlten Belastungen an.
Wenn eine Kraft auf die Mitte des Rahmens 210 in der Längsrichtung des Verbindungsteils 191 aufgebracht wird, wird jeder der Lastdetektions-Spannungsmesser 214a gleichermaßen in einen Spannungs- oder Kompressionszustand versetzt, und das Ausgangssignal der Wheatstone-Brücke ist der aufgebrachten Kraft proportional. Falls eine Kraft auf die Mitte des Rahmens 210 in der Richtung der Achse der vertikalen Schenkel 212b aufgebracht wird, ist der eine der beiden Lastspannungsmesser 214a unter Spannung gesetzt, während der andere zusammengedrückt ist. Die Signale von den beiden Lastdetektions-Spannungsmessern 214a heben sich gegenseitig auf, und das Ausgangssignal der Wheatstone-Brücke ist im Wesentlichen Null. Falls ein um die Achse des horizontalen Schenkels verlaufendes Biegemoment auf den Rahmen 210 aufgebracht wird, werden die Lastdetektions-Spannungsmesser 214a im gleichem Maß und einander entgegengesetzt belastet, so dass in diesem Fall auch das Ausgangssignal der Wheatstone-Brücke im Wesentlichen Null ist. Ein um die Längsachse des Verbindungsteils 191 aufgebrachtes Drehmoment, ein um die Achse der vertikalen Schenkel 212b aufgebrachtes Drehmoment oder eine entlang der Achse der horizontalen Schenkel 212c wirkende Kraft erzeugen keine wesentliche Verformung der Lastdetektions-Spannungsmesser 214a und haben somit im Wesentlichen keine Auswirkung auf die Wheatstone-Brücke. Folglich kann die gezeigte Anordnung Kräfte in der Axialrichtung des Verbin dungsteils 191 detektieren, bei denen es sich um die Kräfte handelt, die von dem Linear-Betätigungsteil 181 ausgeübt werden, und die Anordnung kann sämtliche anderen Kräfte, die auf das Verbindungsteil 191 oder das Gelenk 195 einwirken, ignorieren.
Der Rahmen 210 ist nicht auf irgendeine bestimmte Form eingeschränkt und braucht nicht mit Öffnungen 212a oder Schenkeln 212b, 212c versehen zu sein. Jedoch ist die gezeigte Konfiguration mit zwei vertikalen Schenkeln 212b und zwei horizontalen Schenkeln 212c praktisch, da aufgrund ihrer geometrischen Einfachheit axiale Belastungen, die auf das Gelenk 195 einwirken, problemlos aus den von den Lastdetektions-Spannungsmessern 214a gemessenen Spannungen errechnet werden können.
Hinsichtlich der Spannungen, die von den Lastdetektions-Spannungsmessern 214 zuverlässig gemessen werden können, ist es vorzuziehen, dass die von dem Gelenk 195 auf den Rahmen 210 aufgebrachte Last an der Mitte des Rahmens 210 platziert wird, so dass der Widerstand gegen die Last im Wesentlichen vollständig von den Schenkeln des Rahmens 210 statt von dem Umfang des Rahmens 210 ausgeübt wird, da es in diesem Fall leichter ist, das Verhältnis zwischen den gemessenen Spannungen und der aufgebrachten Last zu berechnen. Falls jedoch die Verformung des Rahmens 210 aufgrund der aufgebrachten Last zu groß wird, können möglicherweise die an den Schenkeln 212b oder dem Rahmen 210 angeordneten Lastdetektions-Spannungsmesser 214a selbst beschädigt werden.
Der gezeigte Kraftmesser ist derart ausgebildet, dass derjenige Teil des Rahmens 210, auf den Lasten aufgebracht werden, seinen Bereich vergrößert, wenn die Größe der Verformung zunimmt, damit die genannte Beschädigung verhindert wird. Gemäß 24 und 25, die explodierte isometrische Ansichten des Kraftsensors zeigen, sind zwei Abstandhalter 215 und 216, wie z.B. Unterlegscheiben, an gegenüberliegenden Seiten der Platte 212 des Rahmens 210 um die Welle 195c des Gelenks 195 angeordnet, und ein Teil, das einen größeren Oberflächenbereich aufweist als der innere Abstandhalter 216, wie z.B. eine Platte 217, ist an der Welle 195c nahe dem inneren Abstandhalter 216 angeordnet. Wenn keine Lasten auf das Gelenk 195 einwirken, halten die beiden Abstandhalter 215, 216 die Platte 195a des Gelenks 195 und die Platte 217 im Abstand von der Platte 212 des Rahmens 210. Wenn eine Last unterhalb eines bestimmten Niveaus in einer der Axialrichtungen des Verbindungsteils 191 auf das Gelenk 915 aufgebracht wird, kontaktieren die Platte 195a des Gelenks 195 und die Platte 217 den Rahmen 210 nicht, so dass Lasten auf den Rahmen 210 nur in dem Bereich nahe der Öffnung 212d aufgebracht werden und der Widerstand gegen die Lasten im Wesentlichen vollständig von den Schenkeln des Rahmens 210 ausgeübt wird. Wenn eine auf den Rahmen 210 aufgebrachte Axiallast ein höheres Niveau erreicht, das niedriger gewählt ist als das Niveau, welches eine Beschädigung der Spannungsmesser 212b oder des Rahmens 210 verursacht, kontaktiert die Platte 195a des Gelenks 195 die Platte 212 des Rahmens 210, und die Axiallast wird über einen größeren Bereich des Rahmens 210 verteilt, einschließlich z.B. des Umfangs der Platte 212 um die Schenkel herum, so dass die Verformung des Rahmens 210 daran gehindert wird, ein Niveau zu erreichen, welches Beschädigungen verursacht. In ähnlicher Weise kontaktiert, wenn eine auf den Rahmen 210 in der entgegengesetzten Axialrichtung einwirkende Last ein bestimmtes Niveau erreicht, das niedriger gewählt ist als das Niveau, welches eine Beschädigung der Spannungsmesser 212b oder des Rahmens 210 verursacht, die Platte 217 die innere Seite der Platte 212 (wie z.B. die horizontalen Schenkel 212c und/oder den Umfang der Platte 212) und verteilt die Axiallast über einen größeren Bereich der Platte 212, um eine Beschädigung der Spannungsmesser 212b oder des Rahmens 210 zu verhindern.
Es können zahlreiche andere Anordnungen verwendet werden, um die auf die Handhabungsvorrichtung einwirkenden oder von ihr ausgeübten Kräfte zu detektieren. Beispielsweise können Spannungsmesser oder andere Kraftsensoren direkt an den Betätigungsteilen oder den Verbindungsteilen der Handhabungsvorrichtung angeordnet sein.
10-13 zeigen eine Anordnung einer Handhabungsvorrichtung, die eine Geometrie wie diejenige gemäß 5 aufweist. 10 zeigt eine isometrische Ansicht dieser Ausführungsform, 11 zeigt eine Seitenansicht, 12 zeigt eine vergrößerte Ansicht desjenigen Teils der Handhabungsvorrichtung, der in der Umgebung der Linear-Betätigungsteile gelegen ist, und 13 zeigt eine vergrößerte Ansicht desjenigen Teils der Handhabungsvorrichtung, der eine Werkzeughaltewelle trägt. Wie in diesen Figuren gezeigt, weist die Handhabungsvorrichtung eine Werkzeughaltewelle 170 mit einem an deren unterem Ende angeordneten Werkzeug 171, und eine Wellenhaltestruktur 220 auf, welche die Werkzeughaltewelle 170 bewegbar hält. Die Wellenhaltestruktur 220 weist eine Haltebasis 221 auf, die am Fußboden oder einer anderen Tragfläche angeordnet ist. Wie die Haltebasis 181 der Ausführungsform gemäß 9 kann die Haltebasis 221 bewegbare Teile aufweisen. Beispielweise kann sie einen stationären unteren Teil 221a und einen oberen Teil 221b aufweisen, der relativ zu dem unteren Teil 221a angehoben oder abgesenkt und/oder um eine vertikale Achse relativ zu dem unteren Teil 211a gedreht werden kann, wie im Zusammenhang mit 9 beschrieben.
Ein erster Rahmen 222 ist oben an dem oberen Teil 221b der Basis 221 angeordnet, und ein zweiter Rahmen 223 wird von dem ersten Rahmen 222 zur Drehung um eine Achse 224 gehalten, die in der Figur horizontal verläuft, jedoch schräg zur Horizontalen verlaufen kann. Der zweite Rahmen 223 kann entweder manuell oder durch einen Motor oder einen anderen Antriebsmechanismus gedreht werden, der an einem der Rahmen 222, 223 angeordnet ist. An einem der Rahmen 222, 223 kann eine Verriegelungsvorrichtung vorgesehen sein, um den zweiten Rahmen 223 lösbar gegen Drehung zu verriegeln. Der zweite Rahmen 223 trägt ein oberes Set von Linear-Betätigungsteilen 230, 235 eines ersten Arms und ein unteres Set von Linear-Betätigungsteilen 250, 255 eines zweiten Arms, mittels derer die Werkzeughaltewelle 170 translatorisch bewegt und geschwenkt werden kann. Das erste Set von Betätigungsteilen weist ein erstes Linear-Betätigungsteil 230 mit einem bewegbaren Teil, der in einer geraden Linie in einer ersten Richtung bewegt werden kann, und ein zweites Linear-Betätigungsteil 235 auf, das an dem bewegbaren Teil des ersten Linear-Betätigungsteils befestigt ist und einen bewegbaren Teil aufweist, der relativ zu dem ersten Linear-Betätigungsteil 230 in einer quer (wie z.B. rechtwinklig) zu der ersten Richtung verlaufenden Richtung bewegt werden kann. Ein erstes Verbindungsteil 238 ist an dem bewegbaren Teil des zweiten Linear-Betätigungsteils 235 befestigt. Ähnlich dazu weist das zweite Set von Betätigungsteilen ein drittes Linear-Betätigungsteil 250 mit einem bewegbaren Teil, der in einer dritten Richtung bewegt werden kann, und ein viertes Linear-Betätigungsteil 255 auf, das an dem bewegbaren Teil des dritten Linear-Betätigungsteils 250 befestigt ist und einen bewegbaren Teil aufweist, der relativ zu dem dritten Linear-Betätigungsteil 250 in einer quer (wie z.B. rechtwinklig) zu der dritten Richtung verlaufenden Richtung bewegt werden kann. Ein zweites Verbindungsteil 258 ist an dem bewegbaren Teil des vierten Linear-Betätigungsteils 255 befestigt. In dieser Figur verlaufen die ersten und zweiten Richtungen rechtwinklig zueinander, die dritten und vierten Richtungen verlaufen rechtwinklig zueinander, die erste Richtung verläuft parallel zur der dritten Richtung, und die zweite Richtung verläuft parallel zu der vierten Richtung, so dass sich die bewegbaren Teile der Linear-Betätigungsteile sämtlich in parallelen Ebenen bewegen. Wie anhand von 5 beschrieben, können die Richtungen jedoch auch unter anderen Winkeln relativ zueinander verlaufen. Die Linear-Betätigungsteile können von jedem gewünschten Typ sein. Bei der gezeigten Ausführungsform weist jedes Linear-Betätigungsteil 230, 235, 250, 255 einen bürstenlosen Linear-Elektromotor mit einer langgestreckten Magnetbahn 231, 236, 251, 256 und einem bewegbaren Teil auf, der eine Wicklungseinheit 232, 237, 252, 257 aufweist, die sich in einer geraden Linie entlang der Magnetbahn bewegen kann. Die Magnetbahn 236 des zweiten Linear-Betätigungsteils 235 ist an der Wicklungseinheit 232 des ersten Linear-Betätigungsteils 230 befestigt, und die Magnetbahn 256 des vierten Linear-Betätigungsteils 255 ist an der Wicklungseinheit 252 des dritten Linear-Betätigungsteils 250 befestigt. Ferner ist das erste Verbindungsteil 238 an der Wicklungseinheit 237 des zweiten Linear-Betätigungsteils 235 befestigt, und das zweite Verbindungsteil 258 ist an der Wicklungseinheit 257 des vierten Linear-Betätigungsteils 255 befestigt. Jedes der Linear-Betätigungsteile kann mit einem Kodierer oder einem anderen Positionssensor versehen sein, um die Position der Wicklungseinheit des Betätigungsteils relativ zu der Magnetbahn zu detektieren. Ferner kann jedes Linear-Betätigungsteil mit einem Kraftsensor versehen sein, um die Abtriebskraft des Betätigungsteils zu detektieren. Jede der Wicklungseinheiten ist dahingehend gezeigt, dass sie ausschließlich von der Magnetbahn des entsprechenden Motors gehalten ist, und die Verbindungsteile 238, 258 sind dahingehend gezeigt, dass sie ausschließlich von den Wicklungseinheiten der zweiten und vierten Linear-Betätigungsteile 235, 255 gehalten sind. Jedoch kann jedes dieser Teile auch von anderen Teilen als den Linear-Betätigungsteilen selbst gehalten sein, wie z.B. von separaten Linear-Lagern.
Die von den Linear-Betätigungsteilen entfernt gelegenen Enden der ersten und zweiten Verbindungsteile 238, 258 sind mit dem Halterahmen 270 durch erste und zweite Gelenke 240 bzw. 260 verbunden, von denen jedes zwei Freiheitsgrade des Halterahmens 270 relativ zu dem entsprechenden Verbindungsteil ermöglichen kann. Eine der Gelenke 240, 260 kann zur Ermöglichung dreier Freiheitsgrade ausgelegt sein; da jedoch jedes Verbindungsteil 238, 258 eine konstante Ausrichtung im Raum beibehält, wird ein dritter Freiheitsgrad nicht benötigt. Der Abstand zwischen den Gelenken 240 und 260 ist variierbar. Beispielsweise kann eines der Gelenke 240, 260 relativ zu dem Halterahmen 270 gegen Translation festgelegt sein, während das andere Gelenk zur Translation relativ zum Halterahmen 270 in der Lage ist. Alternativ können beide Gelenke 240, 260 gegen Translation relativ zum Halterahmen 270 festgelegt sein, und derjenige Teil des Halterahmens 270, der mit den Gelenken 240, 260 verbunden ist, kann eine teleskopierbare Struktur aufweisen. Die Gelenke können in ihrer Struktur ähnlich wie diejenigen der Ausführungsform gemäß 9 ausgebildet sein. Bei diesem Beispiel weist das erste Gelenk 240 ein Joch 241, das schwenkbar mit einer Hülse 242 verbunden ist, die zwecks Drehung um eine Achse A gleitbar um eine Stange 271 des Halterahmens 270 passt, und einen Kragen 243 auf, der mit dem Joch 241 verbunden ist und passend auf ein Ende des ersten Verbindungsteils 238 gesetzt sowie an diesem befestigt ist. Der Kragen weist ein inneres Lager auf, welches das Joch 241 drehbar derart hält, dass sich das Joch 241 um eine rechtwinklig zur Achse A verlaufende Achse B drehen kann. Das zweite Gelenk 260 weist ebenfalls ein Joch 261 auf, das schwenkbar mit einer Hülse 262 verbunden ist und das drehbar von einem Kragen 263 gehalten ist, der passend auf ein Ende des zweiten Verbindungsteils 258 gesetzt sowie an diesem befestigt ist. Die Hülse 262 ist drehbar an einer Buchse 264, einem Kugellager oder einem ähnlichen Teil angeordnet, das an der Stange 271 des Halterahmens 270 befestigt ist. Die Hülse 262 kann sich an der Buchse 264 um die Längsachse der Stange 271 drehen, wird jedoch daran gehindert, eine translatorische Bewegung in der Längsrichtung der Stange 271 auszuführen.
Der Halterahmen 270 hält ein Linear-Betätigungsteil 280 zur Wellen-Einführung, das seinerseits die Werkzeughaltewelle 170 zur Bewegung in x-Achsen-Richtung hält. Das Linear-Betätigungsteil 280 kann gemäß einem beliebigen der Typen ausgebildet sein, die im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurden. Das gezeigte Linear-Betätigungsteil 280 ist ein Linear-Elektromotor, der eine langgestreckte Magnetbahn 281, welche an dem Halterahmen 270 befestigt ist, und eine Wicklungseinheit 282 aufweist, welche in der z-Achsen-Richtung entlang der Magnetbahn 281 bewegbar ist. Die Werkzeughaltewelle 170 ist derart an der Wicklungseinheit befestigt, dass sie durch diese translatorisch bewegt werden kann.
Wenn das untere Ende der Werkzeughaltewelle 170 in den Körper des Patienten eingeführt wird, wird die Werkzeughaltewelle 170 typischerweise ausschließlich von den Linear-Betätigungsteilen betätigt, während eine Translation und/oder Drehung des oberen Teils 221b der Basis 221 und eine Drehung des zweiten Rahmens 223 relativ zu dem ersten Rahmen 222 typischerweise zur Grobpositionierung der Werkzeughaltewelle 170 verwendet werden, wenn diese nicht in den Köper des Patienten eingeführt wird. Die Drehbarkeit des zweiten Rahmens 223 relativ zum ersten Rahmen 222 ist besonders zweckmäßig, da sie der Werkzeughaltewelle 170 die Möglichkeit gibt, jeden Winkel relativ zur Vertikalen einzunehmen. Beispielsweise kann die Werkzeughaltewelle 170 in eine Position bewegt werden, in der sie horizontal oder von oben nach unten umgekehrt angeordnet ist, wobei das Werkzeug 171 höher positioniert ist als der Rest der Werkzeughaltewelle 170.
14 zeigt eine Ausführungsform einer Handhabungsvorrichtung, die eine Geometrie wie diejenige gemäß 8 aufweist. Sie weist eine Werkzeughaltewelle 315, die an ihrem unteren Ende ein Werkzeug 316 trägt, und eine Wellenhaltestruktur 290 auf, welche die Werkzeughaltewelle 315 bewegbar trägt. Die Wellenhaltestruktur 290 weist einen oberen Teil 291, der ein Gelenk für die Werkzeughaltewelle 315 im dreidimensionalen Raum handhaben kann, und einen unteren Teil 310 auf, der ein weiteres Gelenk für die Werkzeughaltewelle 315 im zweidimensionalen Raum handhaben kann. Die oberen und unteren Teile 291, 310 sind typischerweise an einer nicht gezeigten Haltestruktur befestigt, wie z.B. an einer Basis wie denjenigen gemäß 9 und 10.
Der obere Teil 291 weist erste bis dritte Dreh-Betätigungsteile 292, 293, 294 und erste bis dritte Verbindungsteile 296, 298, 300 auf. Das erste Dreh-Betätigungsteil 292 kann einen Rahmen 295, der das dritte Dreh-Betätigungsteil 294 hält, um eine Achse drehen. Das zweite Dreh-Betätigungsteil 293 ist in der Lage, das erste Ende des ersten Verbindungsteils 296 an jedem Punkt entlang eines Kreisbogens zu positionieren, der konzentrisch mit der Drehachse des zweiten Dreh-Betätigungsteils 293 ist. Das dritte Dreh-Betätigungsteil 294 kann das dritte Verbindungsteil 300 um eine Achse drehen, die rechtwinklig zu den Achsen der ersten und zweiten Dreh-Betätigungsteile 292,293 verläuft und der Längsachse des dritten Verbindungsteils 300 entspricht. Damit man die ersten und zweiten Dreh-Betätigungsteile 292, 293 aufeinanderstapeln kann, ist das zweite Dreh-Betätigungsteil 293 vorzugsweise hohl, so dass die Abtriebswelle des ersten Dreh-Betätigungsteils 292 sich durch das zweite Dreh-Betätigungsteil 293 erstrecken kann. Beispielsweise kann es sich bei dem zweiten Dreh-Betätigungsteil 293 um einen herkömmlichen Hohlkernmotor handeln, bei dem ein Rotor um den Kern herum angeordnet ist, während das erste Dreh-Betätigungsteil 292 ein Motor sein kann, der einen an seiner Mitte angeordneten Rotor und eine Abtriebswelle aufweist, die an dem Rotor befestigt ist und sich durch den hohlen Kern des zweiten Dreh-Betätigungsteils 293 erstreckt. Ein Ende des ersten Verbindungsteils 296 ist durch ein Gelenk 297 schwenkbar mit dem drehenden Teil des zweiten Dreh-Betätigungsteils 293 verbunden, und das andere Ende des ersten Verbindungsteils 296 ist durch ein weiteres Gelenk 299 schwenkbar mit einem Ende des zweiten Verbindungsteils 298 verbunden. Eines der beiden Gelenke 297, 299 ist ein sphärisches Gelenk (wie z.B. Kugelgelenk) oder ein Äquivalent desselben, während das andere der beiden Gelenke ein Universalgelenk (wie z.B. ein Kreuzgelenk) oder ein Äquivalent desselben ist. Das äußere Ende des dritten Verbindungsteils 300 ist mit dem zweiten Verbindungsteil 298 zwischen dessen beiden Enden mittels eines Gelenkstifts 301 schwenkbar verbunden. Das zweite Ende des zweiten Verbindungsteils 298 ist mit der Werkzeughaltewelle 315 mittels eines Gelenks 302 schwenkbar verbunden, das relativ zu der Werkzeughaltewelle 315 gegen Translation festgelegt ist. Der untere Teil 310 der Wellenhaltestruktur 290 weist ein viertes Dreh-Betätigungsteil 311 und ein Linear-Betätigungsteil 312 auf, das von dem vierten Dreh-Betätigungsteil 311 um seine Drehachse gedreht werden kann. Zur Vereinfachung der Kinematik ist die Drehachse des vierten Dreh-Betätigungsteils 311 vorzugsweise mit den Drehachsen der ersten und zweiten Dreh-Betätigungsteile 292, 293 ausgerichtet, obwohl dies nicht der Fall sein muss. Das Linear-Betätigungsteil 312 kann ein viertes Verbindungsteil 313 in einer Richtung translatorisch bewegen, die quer (z.B. rechtwinklig) zu der Drehachse des vierten Dreh-Betätigungsteils 311 verläuft. Das Linear-Betätigungsteil 312 kann von jedem beliebigen geeigneten Typ sein. Beispielsweise kann es sich um einen Linearmotor wie demjenigen gemäß 9 handeln, der eine langgestreckte Magnetbahn, die an der Abtriebswelle des vierten Dreh-Betätigungsteils 311 befestigt ist, und eine bewegliche Spuleneinheit aufweist, die an einem En de des vierten Verbindungsteils 313 befestigt ist. Das äußere Ende des vierten Verbindungsteils 313 ist vorzugsweise mit der Werkzeughaltewelle 315 durch ein zweites Gelenk 314 verbunden, das relativ zur Werkzeughaltewelle 315 in deren Längsrichtung translatorisch bewegbar ist.
Jedes der ersten und zweiten Verbindungsteile 302, 314 erlaubt der Werkzeughaltewelle 315 eine Drehung relativ zu dem zweiten oder vierten Verbindungsteil 298, 313 mit mindestens zwei Freiheitsgraden, um Kipp- und Gierbewegungen der Werkzeughaltewelle 315 zu ermöglichen, und eines der Gelenke 302, 314 kann der Werkzeughaltewelle 315 eine Schwenkbewegung relativ zu dem entsprechenden Verbindungsteil mit drei Freiheitsgraden erlauben, um eine Rollbewegung der Werkzeughaltewelle 315 zuzulassen. Beispielsweise kann eines der Gelenke 302, 314 ein Kardangelenk oder ein Äquivalent desselben sein, während das andere Gelenk ein sphärisches Gelenk, wie z.B. ein Kugelgelenk, oder ein Äquivalent desselben sein kann. Alternativ können beide Gelenke 302 und 314 zwei Dreh-Freiheitsgrade aufweisen, und in der Werkzeughaltewelle 315 kann ein Wälzgelenk enthalten sein. Der Abstand zwischen den Gelenken 312 und 314 ist variierbar, während die Gelenke im Raum bewegt werden. Beispielsweise kann das Gelenk 314 eine Bewegung der Werkzeughaltewelle 315 in ihrer Längsrichtung relativ zu dem Gelenk 314 erlauben, und/oder die Werkzeughaltewelle 315 kann eine teleskopierbare Struktur aufweisen.
Bei der Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Werkzeug in einer festgelegten Position relativ zu der Werkzeughaltewelle angeordnet sein, so dass das Werkzeug gehandhabt wird, indem die Werkzeughaltewelle als Ganzes bewegt wird. Alternativ kann das Werkzeug derart an der Werkzeughaltewelle angeordnet sein, das seine Ausrichtung relativ zur Werkzeughaltewelle mittels Fernsteuerung mit einem oder mehr Freiheitsgraden eingestellt werden kann. Beispielsweise kann die Werkzeughaltewelle einen Handgelenkmechanismus aufweisen, der das Werkzeug hält und eine Schwenkung des Werkzeugs relativ zur Werkzeughaltewelle ermöglicht, um eine oder mehrere Kipp-, Gier- und Rollbewegungen auszuführen. Auf dem Gebiet existiert eine große Vielfalt von Handgelenkmechanismen, und es kann jeder Typ verwendet werden, der in der Lage ist, die gewünschten Bewegungen des Werkzeugs zuzulassen. 15 zeigt eine schematische quergeschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer Werkzeughaltewelle 320 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein einfacher, leichtgewichtiger Handgelenkmechanismus 330 mit einer kardanartigen Struktur verwendet wird, und 16 zeigt eine Draufsicht auf den Handgelenkmechanismus bei Installierung an der Werkzeughaltewelle. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, weist die Werkzeughaltewelle 320 ein hohles langgestrecktes Rohr 321 mit einer beliebigen gewünschten Querschnittsform, z.B. einer Kreisform, auf. An seinem unteren Ende hält das Rohr 321 einen Handgelenkmechanismus 330, der ein Halterohr 331 zum Halten eines Werkzeugs 332 und einen Ring 340 aufweist, der das Halterohr 331 umgibt. Das Halterohr 331 ist von dem Ring 340 um eine erste Achse 333 schwenkbar gehalten, und der Ring 340 ist von dem Rohr 321 der Werkzeughaltewelle 320 schwenkbar gehalten, um relativ zu dem Rohr 321 eine Schwenkbewegung um eine zweite Achse 342 durchzuführen, die quer zu der ersten Achse 333 verläuft. Zur Vereinfachung der Kinematik und zur Reduzierung von Momenten verlaufen die ersten und zweiten Achsen 333, 342 vorzugsweise rechtwinklig zueinander, obwohl sie nicht rechtwinklig zueinander oder einander schneidend zu verlaufen brauchen.
Das Halterohr 331 kann um die erste Achse 333 geschwenkt werden, und der Ring 340 kann um die zweite Achse 342 geschwenkt werden, und zwar mittels mehrerer langgestreckter Konnektoren 350, die zwischen dem Handgelenkmechanismus 330 und entsprechenden Betätigungsteilen 355 angeordnet sind, welche am oberen Ende der Werkzeughaltewelle 320 angeordnet sind. Die Konnektoren können zur Wirkung mittels Spannung, Kompression oder beidem ausgebildet sein. Somit können die Konnektoren 350 in Abhängigkeit von den Typen von Kraft, die sie übertragen sollen, in Form von Stäben, Stangen, Drähten, Ketten, Riemen, Federn oder ähnlicher Teile vorgesehen sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jeder Konnektor 350 in der Lage, sowohl mit einem Zugeffekt als auch mit einem Kompressionseffekt zu arbeiten, so dass nur zwei Konnektoren 350 und zwei Betätigungsteile 355 erforderlich sind, um das Werkzeug 322 um die ersten und zweiten Achsen zu drehen. Falls jeder Konnektor 350 nur in einer einzigen Richtung wirken kann, sie z.B. zum Spannen, kann eine größere Anzahl von Konnektoren und Betätigungsteilen erforderlich sein, um das Werkzeug 322 um die beiden Achsen zu drehen, z.B. zwei Konnektoren und zwei Betätigungsteile für das Halterohr 331 und den Ring 340, so dass insgesamt vier Konnektoren und vier Betätigungsteile benötigt werden. Alternativ, falls das Halterohr 331 und der Ring 340 mit Rückkehrfedern versehen sind, die diese Teile in einer bestimmten Drehrichtung vorspannen, besteht die Möglichkeit, zwei mit Spannungseffekt arbeitende Konnektoren statt vierer Konnektoren zu verwenden. Als weitere Alternative können das Halterohr 331 und der Ring 340 durch drei Konnektoren, die an dem Halterohr 331 befestigt sind und mit Spannungseffekt arbeiten, um die ersten und zweiten Achsen geschwenkt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist einer der Konnektoren 350 an seinem unteren Ende an einer von der ersten Achse 333 beabstandeten Stelle mit dem Halterohr 331 verbunden, und der andere Konnektor 350 ist an einer von der zweiten Achse 242 beabstandeten Stelle 343 mit dem Ring 340 verbunden. Gemäß 16 ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein Konnektor 350 derart mit dem Halterohr 331 verbunden, dass er Kraft an einer Stelle 334 aufbringt, die im Wesentlichen mit der zweiten Achse 342 ausgerichtet ist, und der andere Konnektor 350 ist derart mit dem Ring 340 verbunden, dass er Kraft an einer Stelle 343 aufbringt, die im Wesentlichen mit der ersten Achse 333 ausgerichtet ist. Die Stellen 334 und 343, an denen die Konnektoren 350 mit dem Rohr 331 und dem Ring 340 ausgerichtet sind, brauchen jedoch nicht mit den Achsen 342 und 333 ausgerichtet zu sein. Vorzugsweise ist jeder der Konnektoren 350 durch eine Schwenkverbindung mit dem Halterohr 331 oder dem Ring 340 verbunden, da der Winkel zwischen einem Konnektor 350 und dem Halterohr 331 oder dem Ring variiert, wenn das Halterohr 331 oder der Ring 340 um die erste oder zweite Achse geschwenkt wird. Die Konnektoren 350 können jede be liebige Querschnittsform aufweisen, mittels derer verhindert werden kann, dass sie einknicken, wenn sie einer axialen Kompression ausgesetzt werden. 17 zeigt eine Querschnittsansicht der Werkzeughaltewelle 320, in der ein Beispiel einer Querschnittsform der Konnektoren 350 gezeigt ist. Bei diesem Beispiel weist jeder Konnektor 350 über mindestens einen Teil seiner Länge einen gekrümmten Querschnitt auf, damit er widerstandsfähiger gegen Einknicken ist. Entlang mindestens eines Teils seiner Länge sind die Breiten-Ränder der Konnektoren 350 zwischen Führungen 322 aufgenommen, die ein Gleiten der Konnektoren 350 in der Längsrichtung der Werkzeughaltewelle 320 erlauben, während sie die Lateralbewegung einschränken und den Konnektoren eine noch größere Widerstandsfähigkeit gegen Einknicken verleihen. An ihren unteren und oberen Enden können die Querschnitte der Konnektoren 350 abweichend von der gekrümmten Form eine Form aufweisen, die für die Anbringung der Konnektoren 350 an den Gelenkmechanismen 330 oder den Betätigungsteilen 355 praktischer ist.
Statt dass einer der Konnektoren 350 an dem Halterohr 331 und ein anderer der Konnektoren 350 an dem Ring 340 befestigt ist, können beide Konnektoren 350 an verschiedenen Stellen an dem Halterohr 331 befestigt sein. Beispielsweise kann ein Konnektor 350 an der Stelle 334 gemäß 16 mit dem Halterohr 331 verbunden sein, und der andere Konnektor 350 kann an einer Stelle wie z.B. der Stelle 336 gemäß 16, die mit der ersten Achse 333 ausgerichtet ist, mit dem Halterohr 331 verbunden sein.
Bei der Anordnung, bei der das Halterohr 331 und der Ring 340 durch drei Konnektoren, die an dem Halterohr 331 befestigt sind und mit Spannungseffekt arbeiten, um die ersten und zweiten Achsen 333 und 342 geschwenkt werden, können die Konnektoren an zahlreichen verschiedenen Stellen an dem Halterohr 331 befestigt sein. Beispielsweise kann ein Konnektor an dem Halterohr 331 in Ausrichtung mit der zweiten Achse 342 (wie z.B. an der Stelle 334 in 16) befestigt sein, ein weiterer Konnektor kann an dem Halterohr 331 in Ausrichtung mit der ersten Achse 333 (wie z.B. an der Stelle 336 in 16) befestigt sein, und ein dritter Konnektor kann an dem Halterohr 331 an einer Stelle befestigt sein, die von den ersten und zweiten Achsen 333 und 342 beabstandet ist (wie z.B. an der Stelle 337 in 16).
Die Betätigungsteile 355 für die Konnektoren 350 können von jedem beliebigen Typ sein, der in der Lage ist, eine Axialkraft auf die Konnektoren 350 aufzubringen, einschließlich Linear-Betätigungsteilen oder Dreh-Betätigungsteilen, die mit Mechanismen zum Umsetzen von Dreh- in Linearbewegung versehen sind. Wie im Fall der Linear-Betätigungsteile für die Wellenhaltestruktur sind Linearmotoren besonders geeignet. Die Betätigungsteile 355 sind mit Positionssensoren und/oder Kraftsensoren versehen, um den Abtriebs-Anteil und/oder die Abtriebskraft der Betätigungsteile 355 zu messen.
Der gezeigte Handgelenkmechanismus 320 ermöglicht dem Werkzeug 322 nicht nur Schwenkbewegungen um die ersten und zweiten Achsen, sondern ermöglicht dem Werkzeug 322 auch das Durchführen einer Wälzbewegung um eine Wälzachse, die quer (wie z.B. rechtwinklig) zu den ersten und zweiten Achsen verläuft. Die Fähigkeit des Werkzeugs 322, um eine Wälzachse gedreht zu werden, macht es leichter, das Werkzeug 322 in die für eine gegebene Operation am meisten geeignete Ausrichtung zu bewegen, und macht den Handgelenkmechanismus eigenheiten-frei innerhalb des Arbeitsraums des Werkzeugs 322. Ferner kann in Abhängigkeit vom Typ des Werkzeugs eine Drehbewegung verwendet werden, um dem Werkzeug zu ermöglichen, ein Drehmoment auf ein Teil auszuüben oder eine drehende Schneid- oder Schleifbewegung auszuführen. Das Werkzeug 322 kann auch dann zum Drehen um eine Wälzachse in der Lage sein, wenn seine Ausrichtung relativ zu der Werkzeughaltewelle 320 ansonsten festgelegt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann das Werkzeug 322 mittels einer Werkzeugwälzwelle 360 gedreht werden, die innerhalb der Werkzeughaltewelle 320 angeordnet ist und zwischen einem Dreh-Betätigungsteil 366 am oberen Ende der Werkzeughaltewelle 320 und dem Werkzeug 322 verläuft. Das Werkzeug 322 ist drehbar von einem Lager gehalten, z.B. von einer Buchse 335, die an dem Halterohr 331 angeordnet ist. Die Werkzeugwälzwelle 360 kann mittels jedes geeigneten Typs von Dreh-Betätigungsteil gedreht werden, z.B. mittels eines bürstenlosen Gleichstrommotors oder eines anderen Typs von Elektromotor, der mit dem oberen Ende der Werkzeugwälzwelle befestigt ist. Falls das Werkzeug 322 relativ zu der Werkzeughaltewelle 360 um eine oder beide der ersten und zweiten Achsen drehbar ist, ist die Werkzeugwälzwelle 360 vorzugsweise derart mit dem Werkzeug 322 verbunden, dass das Werkzeug 322 von der Werkzeugwälzwelle 360 gedreht werden kann, wenn die Wälzachse nicht mit der Achse der Werkzeugwälzwelle 360 ausgerichtet ist. Beispielsweise ist bei der vorliegenden Ausführungsform das untere Ende der Werkzeugwälzwelle 360 durch ein Universalgelenk 365 mit dem Werkzeug 322 verbunden. Die Werkzeugwälzwelle 360 kann durch nicht gezeigte Lager drehbar von der Werkzeughaltewelle 320 gelagert sein, z.B. an einer oder mehreren Stellen entlang ihrer Länge, um die Werkzeugwälzwelle 360 an einer gewünschten Position relativ zu dem Rohr 321 der Werkzeughaltewelle 320 zu halten.
In manchen Fällen kann das Werkzeug 322 bewegbare Teile aufweisen, die während der chirurgischen Verwendung des Werkzeugs gehandhabt werden. Zu den Beispielen von Werkzeugen mit bewegbaren Teilen zählen ein Forceps, eine Schere, ein Nadelhalter, Klemmen und Klammervorrichtungen. Je nach der Struktur des Werkzeugs 322 können die bewegbaren Teile durch zahlreiche verschiedene Mechanismen betätigt werden, z.B. ein Kabel, eine Stange, pneumatische oder hydraulische Röhren, oder elektrische Kabel, die von dem Werkzeug zu einem oberen Teil oder Außenbereich der Werkzeughaltewelle verlaufen, damit das Werkzeug aus der Ferne mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betätigt werden kann. Ein Kabel, Draht oder anderes Teil zum Betätigen des Werkzeugs kann sich durch eine Bohrung in der Werkzeugwälzwelle 360 erstrecken, oder es kann sich entlang des Außenbereichs der Werkzeugwälzwelle 360 erstrecken.
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist das Werkzeug 322 bewegbare Teile auf, die mittels eines Konnektors 367 betätigt werden können, der sich durch die Werkzeugwälzwelle 360 und das Universalgelenk 365 zwischen den bewegbaren Teilen und einem Betätigungsteil 368 erstreckt, das am oberen Ende der Werkzeughaltewelle 320 angeordnet ist. Der Konnektor 367 kann ein mit Spannungs- und/oder Kompressionseffekt arbeitender Konnektor sein, je nach der Struktur des Werkzeugs 322. Beispielsweise kann das Werkzeug 322 durch den mit Spannungseffekt arbeitenden Konnektor 367 gegen eine am Werkzeug 322 angeordnete Rückkehrfeder arbeiten, die das Werkzeug in einen Ausgangszustand zurückbewegt, wenn die Zugkraft aufgehoben wird. Der Konnektor 367 kann die Werkzeughaltewelle 360 drehen, oder er kann derart gehalten sein, dass er stationär bleibt, wenn sich die Werkzeughaltewelle 360 dreht. Der Konnektor 367 ist vorzugsweise in der Lage, das Werkzeug auch dann zu betätigen, wenn die Längsachse des Werkzeugs 322 nicht mit der Längsachse der Werkzeughaltewelle 360 ausgerichtet ist. Beispielsweise kann der Konnektor 367 ein flexibles Teil wie z.B. ein Kabel sein, das sich biegen kann, wenn die beiden Achsen nicht ausgerichtet sind, oder er kann starre Abschnitte aufweisen, die miteinander durch schwenkbare Gelenke verbunden sind, welche dem Konnektor 367 ermöglichen, eine Kraft durch einen Winkel auszuüben. Wie die Betätigungsteile 355 zum Schwenken des Halterohrs 331 und des Rings 340 des Handgelenkmechanismus 330 kann das Betätigungsteil 368 für den Konnektor 367 gemäß einem beliebigen geeigneten Typ ausgebildet sein, wie z.B. als Linear-Betätigungsteil oder als Dreh-Betätigungsteil, das mit dem Konnektor durch einen Mechanismus verbunden ist, der Dreh- in Linearbewegung umsetzt.
18 zeigt eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren Handgelenkmechanismus 370. Dieser Handgelenkmechanismus 370 weist ein Halterohr 371, das ein Werkzeug 322 durch eine Buchse 372 drehbar hält, und eine ringförmige Membran 373 aus Plastik, Papier, Metall oder einem anderen geeigneten Material auf, die das Halterohr 371 umgibt. Der Innenumfangsbereich der Membran 373 ist an dem Halterohr 371 entlang dessen gesamten Umfangs befestigt und vorzugsweise fluidundurchlässig abgedichtet, und der Außenumfangsbereich der Membran 373 ist an dem Rohr 321 der Werkzeughalte welle 320 entlang dessen gesamten Umfangs dichtend befestigt. Die Membran 373 ist hinreichend stark, um das Gewicht des Halterohrs 371 zu tragen, jedoch hinreichend flexibel, um dem Halterohr 371 ein Schwenken um die ersten und zweiten Achsen zu ermöglichen, so dass das Halterohr Kipp- und Gierbewegungen ausführen kann. Die gezeigte Membran 373 ist mit ringförmigen Korrugationen 374 versehen, die ihr Flexibilität verleihen. Der radial äußere Bereich der Membran 373 ist vorzugsweise stärker flexibel als der zentrale Bereich, der das Halterohr 371 umgibt. Zwei Konnektoren 350 wie diejenigen, die bei der vorherigen Ausführungsform verwendet werden, sind an dem Halterohr 371 an Stellen befestigt, welche voneinander in einer Umfangsrichtung um einen geeigneten Winkel (wie z.B. 90°) beabstandet sind. Das obere Ende jedes Konnektors 350 ist mit einem entsprechenden nicht gezeigten Betätigungsteil verbunden, das den Konnektor 350 in seiner Längsrichtung translatorisch bewegen kann. Wenn ein Konnektor 350 in seiner Längsrichtung translatorisch bewegt wird, werden das Halterohr 371 und das Werkzeug 322 um die erste Achse gedreht, und wenn der andere Konnektor 350 in seiner Längsrichtung translatorisch bewegt wird, werden das Halterohr 371 und das Werkzeug 322 um die zweite Achse gedreht. Falls die Membran 373 sowohl an dem Halterohr 371 als auch an dem Rohr 321 der Werkzeughaltewelle 320 dichtend befestigt ist, kann die Membran 373 die Übertragung kontaminierender Substanzen zwischen dem Inneren der Werkzeughaltewelle 320 und dem Inneren des Körpers des Patienten in beiden Richtungen verhindern. Mit Ausnahme des Handgelenkmechanismus 370 kann die Struktur der Werkzeughaltewelle 320 die gleiche sein wie die anhand von 15 beschriebene Struktur.
Zumindest der untere Teil der Werkzeughaltewelle in der Nähe des Werkzeugs muss generell vor jeder chirurgischen Verwendung der Werkzeughaltewelle sterilisiert werden. Um das Sterilisieren der Werkzeughaltewelle zu erleichtern, kann die gesamte Werkzeughaltewelle von anderen Teilen der Handhabungsvorrichtung abnehmbar sein. In 19-21 ist eine Anordnung gezeigt, die geeignet ist, eine Werkzeughaltewelle 320 abnehmbar zu tragen, während sie ihre bewegbaren Teile betätigt. Bei dieser Anordnung kann die Werkzeughaltewelle 320 abnehmbar an einem Halterahmen 270 einer Wellenhaltestruktur befestigt werden, die den Aufbau jeder der oben beschriebenen Wellenhaltestrukturen haben kann. An dem Halterahmen 270 sind mehrere Betätigungsteile 380A-380C und 390 angeordnet. Ein erstes und ein zweites Linear-Betätigungsteil 380A und 380B erzeugen eine lineare Bewegung zweier Konnektoren 350, die – z.B. ähnlich wie diejenigen, die in 15 oder 18 gezeigt sind – mit einem nicht gezeigten Handgelenkmechanismus verbunden sind. Ein drittes Linear-Betätigungsteil 380C erzeugt eine Linearbewegung eines Konnektors 367 zum Betätigen bewegbarer Teile eines nicht gezeigten Werkzeugs, das von dem Handgelenkmechanismus gehalten ist, und ein Dreh-Betätigungsteil 390 dreht die mit dem Werkzeug verbundene Werkzeugwälzwelle 360. Jedes der Linear-Betätigungsteile 380A-380C kann lösbar mit dem entsprechenden Konnektor zusammengreifen, während das Dreh-Betätigungsteil 390 lösbar mit der Werkzeugwälzwelle 360 zusammengreifen kann. 20 zeigt eine Seitenansicht des ersten Linear-Betätigungsteils 380A. Die anderen Linear-Betätigungsteile 380B und 380C können eine ähnliche Struktur aufweisen. Das Linear-Betätigungsteil 380A weist einen Gleichstrom-Linear-Servomotor mit einem zylindrischen Gehäuse 381 und einer Abtriebswelle 382 auf, die in beiden Axialrichtungen des Gehäuses 381 bewegbar ist. Obwohl der Motor nicht zylindrisch zu sein braucht, ist eine zylindrische Form unter dem Aspekt der Raumbedingungen oft vorteilhaft. Zylindrische Linear-Servomotoren dieses Typs sind von zahlreichen Herstellern erhältlich, wie z.B. von Northern Magnetics in Santa Clarita, California. Der Motor kann entweder vom Typ mit bewegbarem Magneten oder mit bewegbarer Wicklung sein, obwohl der Typ mit bewegbarem Magneten unter dem Aspekt der Ableitung der von der Wicklung erzeugten Wärme vorteilhaft sein kann, da die Wicklung eines Motors mit bewegbarem Magneten außerhalb des Magneten vorgesehen ist und an einer Wärmeabfuhreinrichtung angeordnet sein kann. Damit der bewegbare Teil des Motors seine translatorische Bewegung glatter ausführen kann, kann der bewegbare Teil an einem Gleitteil 387 eines Linearlagers 385 angeordnet sein, wobei der stationäre Teil 386 des Lagers 385 von dem Halterahmen 270 gehalten ist. Die Abtriebswelle 382 ist an jedem Ende mit einem Rahmen 383 verbunden, der im Profil im Wesentlichen U-förmig ist. Der Rahmen weist zwei parallele Schenkel auf, die vom Halterahmen 270 abstehen. Der untere Schenkel weist an seinem unteren Ende eine Ausnehmung 384 auf. Das obere Ende jedes Konnektors 350 ist derart geformt, dass es abnehmbar in der Ausnehmung 384 aufgenommen werden kann. Beispielsweise weist bei dieser Ausführungsform das obere Ende jedes Konnektors 350 einen spulenförmigen Teil 351 mit einem Mittelteil 352, der klein genug ist, um in die Ausnehmung 384 des Rahmens 383 zu passen, und obere und untere Flansche 353 auf, die im Durchmesser größer sind als die Ausnehmung 384. Wenn der spulenförmige Teil 351 in die Ausnehmung 384 eingeführt wird, bringt eine Translation des Rahmens 383 in der Längsrichtung der Abtriebswelle 382 die Flasche 353 in Anlage an dem Rahmen 383, wodurch der Konnektor 350 in seiner Längsrichtung translatorisch bewegt wird.
Das Dreh-Betätigungsteil 390 weist eine Abtriebwelle auf, an der eine Rolle 391 angeordnet ist. Wenn die Rahmen 383 der Linear-Betätigungsteile 380A-380C mit den oberen Enden der entsprechenden Konnektoren 350 und 367 für den Handgelenkmechanismus und zum Betätigen des Werkzeugs zusammengreifen, wird die Rolle 391 in Reibeingriff mit der Außenfläche der Werkzeugwälzwelle 360 gedrückt, so dass durch Drehung der Rolle 391 die Werkzeugwälzwelle 360 um ihre Achse gedreht wird. Die Materialien, aus denen die Rolle 391 und/oder die Außenfläche der Werkzeugwälzwelle 360 gebildet sind, können nach Maßgabe eines guten Rollkontakts gewählt werden. Beispielsweise kann die Rolle 391 verformbares Gummi mit hoher Reibung aufweisen. Ferner ist es möglich, die Rolle 391 durch ein Ritzel zu ersetzen und die Werkzeugwälzwelle 360 außen mit Zahnradzähnen zum Zusammengriff mit dem Ritzel zu versehen.
Nach jeder Verwendung kann eine verschmutzte Werkzeughaltewelle 320 von der Wellenhaltestruktur entfernt und durch eine saubere Welle ersetzt werden, und die verschmutzte Werkzeughaltewelle 320 kann entweder sterilisiert oder entsorgt werden. Die Werkzeughaltewelle 320 selbst erfordert keine kostenaufwendigen Komponenten, so dass sie unter dem ökonomischen Aspekt ausreichend günstig hergestellt werden kann und nach einmaliger Verwendung entsorgbar ist.
Die Arme der Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können dahingehend ausgebildet sein, dass sie physisch unabhängig voneinander bewegbar sind, d.h. dass sie nicht derart miteinander verbunden sind, dass eine Bewegung eines Arms den anderen Arm dazu zwingt, sich auf eine bestimmte Weise zu bewegen. Somit kann es zum Einstellen der Ausrichtung der Werkzeughaltewelle, wenn deren unteres Ende in den Körper des Patienten eingeführt ist und dabei die Werkzeughaltewelle mit einem virtuellen Schwenkpunkt ausgerichtet gehalten wird, erforderlich sein, die Operation von zwei oder mehreren der Betätigungsteile zu koordinieren. Für einige Bewegungen der Werkzeughaltewelle kann es möglich sein, dass eine menschliche Bedienungsperson die Operation verschiedener Betätigungsteile manuell koordiniert. Gewöhnlich jedoch ist es leichter, einen automatischen Steuermechanismus wie z.B. einen elektronischen Controller zu verwenden, der die Operation mehrerer Betätigungsteile auf der Basis von Befehlen einer menschlichen Bedienungsperson, die die gewünschten Bewegungen der Werkzeughaltewelle angeben, automatisch koordinieren kann.
22 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels einer Steuersystems 400, das mit einer Handhabungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist. Das Steuersystem 400 weist einen elektronischen Controller 401 auf, wie z.B. einen Allzweck- oder Spezial-Mikrocomputer. Der Controller 401 empfängt von Positionssensoren 403 und/oder Kraftsensoren Eingangssignale für die verschiedenen Linear- und/oder Dreh-Betätigungsteile 404 der Handhabungsvorrichtung. Der Controller 401 empfängt auch Eingangssignale von einer oder mehreren geeigneten Eingabevorrichtungen 402, mit denen die Bedienungsperson dem Controller 401 Befehle geben kann, welche die auf die Werkzeughaltewelle zu übertragende gewünschte Bewegung und/oder Kraft angeben. Es kann eine breite Vielfalt von Eingabevorrichtungen 402 verwendet werden, wie z.B. ein Joystick, ein hapti sches Interface (eine Eingabevorrichtung, die der Bedienungsperson ein Kraft-Feedback übermitteln kann), eine Tastatur, ein Bandspeicher oder eine andere Speichervorrichtung, ein Fußpedal, eine Maus, einen Digitalisierer, einen Computer-Handschuh oder einen stimmbetätigten Controller. Ein Beispiel eines haptischen Interface, das hier verwendet werden kann, ist eine Parallel-Handhabungsvorrichtung des in der U.S.-Anmeldung Nr. 60/056,237 mit dem Titel "Parallel Mechanism" beschriebenen Typs. Es können separate Eingabevorrichtungen zum Steuern verschiedener Typen von Bewegungen der Handhabungsvorrichtung oder zum Steuern der Werkzeughaltewelle zu unterschiedlichen Zeitpunkten vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine der Eingabevorrichtungen verwendet werden, wenn gewünscht ist, die Werkzeughaltewelle um einen virtuellen Schwenkpunkt zu drehen, während eine andere der Eingabevorrichtungen verwendet werden kann, wenn gewünscht ist, die Werkzeughaltewelle in ihrer Längsrichtung translatorisch zu bewegen, ohne sie zu verschwenken. Eine wiederum weitere Eingabevorrichtung kann verwendet werden, um die Werkzeughaltewelle zu handhaben, wenn kein Teil der Welle in den Körper des Patienten eingeführt werden soll. Basierend auf Eingangssignalen von den Eingabevorrichtungen und den Signalen von den Positionssensoren erzeugt der Controller 401 Steuersignale für die Betätigungsteile 404, um die Werkzeughaltewelle in der gewünschten Weise anzutreiben.
Die Eingabevorrichtungen) 402 zum Steuern der Bewegungen und/oder der Kräfte, die von der Werkzeughaltewelle übertragen werden, kann auch zum Steuern der Betätigungsteile 404 für das Werkzeug verwendet werden, oder es können zu diesem Zweck eine oder mehrere separate Eingabevorrichtungen 402 vorgesehen sein.
Der Controller 401 kann die Werkzeughaltewelle und das Werkzeug auf vielfältige Arten steuern, je nach den Erfordernissen der Aufgabe, die von der Handhabungsvorrichtung durchgeführt werden soll. Beispielsweise kann der Controller 401 eine Positionssteuerung, eine Kraftsteuerung oder eine Kombination von Positions- und Kraftsteuerung (Hybrid-Positions-/Kraftsteu erung) durchführen. Beispiele dieser und weiterer geeigneter Steuerverfahren, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sowie Beispiele von Algorithmen zur Implementierung dieser Verfahren sind auf dem Gebiet der Robotertechnik weithin bekannt und in der veröffentlichten Literatur detailliert beschrieben. Kraftsteuerungs- oder Hybrid-Positions/Kraftsteuerungsverfahren sind für die vorliegende Erfindung bestens geeignet, da sie die von der Werkzeughaltewelle und dem Werkzeug auf den Patienten ausgeübten Kräfte auf geeigneten Niveaus halten können und eine sichere Verwendung der Handhabungsvorrichtung auch bei delikaten chirurgischen Vorgängen einschließlich mikrochirurgischer Operationen ermöglichen.
Die Werkzeughaltewelle und das Werkzeug können von dem Controller 401 derart gesteuert werden, dass sie sich in der gleichen Richtung bewegen, in der der Benutzer seine Hand bewegt, wenn er die Eingabevorrichtung 402 betätigt, z.B. derart, dass, wenn der Benutzer einen Joystick oder eine andere Eingabevorrichtung 402 im Uhrzeigersinn dreht, die Werkzeughaltewelle oder das Werkzeug ebenfalls im Uhrzeigersinn gedreht werden. Bei einigen herkömmlichen minimalinvasiven chirurgischen Techniken ist es jedoch erforderlich, dass der Benutzer seine Hand in der entgegengesetzten Richtung zu derjenigen bewegt, in der ein Werkzeug bewegt werden soll. Für einen Benutzer, der an das Betätigen derartiger Vorrichtungen gewöhnt ist, kann der Controller 401 derart ausgelegt werden, dass er die Werkzeughaltewelle und das Werkzeug zur Bewegung in entgegengesetzter Richtung zu derjenigen bewegt, in der der Benutzer beim Betätigen der Eingabevorrichtung 402 seine Hand bewegt. Der Controller 401 kann mit einem Schalter versehen sein, mittels dessen der Benutzer wählen kann, ob relativ zur Bewegung der Hand des Benutzers umgekehrte oder nicht umgekehrte Bewegungen der Werkzeughaltewelle und des Werkzeugs ausgeführt werden sollen.
Der Verstärkungsfaktor des Steuersystems 400 kann dahingehend eingestellt werden, dass die Handhabungspräzision des Benutzers der Handha bungsvorrichtung verbessert wird. Beispielsweise ist der Verstärkungsfaktor derart einstellbar, dass eine Bewegung der Hand des Benutzers beim Betätigen eines Joysticks oder einer anderen Eingabevorrichtung in wesentlich kleineren Bewegungen (entweder translatorisch oder drehend) der Werkzeughaltewelle oder des Werkzeugs resultiert. Somit können von der Hand des Benutzers ausgeführte Bewegungen in der Größenordnung von Millimetern auf Bewegungen der Werkzeughaltewelle oder des Werkzeugs in der Größenordnung von Mikrometern reduziert werden, was dem Benutzer die Möglichkeit gibt, gesteuerte Bewegungen des Werkzeugs auszuführen, die sehr viel kleiner sind als der Benutzer sie von Hand ausführen könnte. Die Fähigkeit der Handhabungsvorrichtung zur Reduzierung der Größenordnung der Bewegung der Hand ist nicht nur in der Chirurgie, sondern auch bei anderen Aufgaben zweckmäßig, bei denen Handhabungspräzision erforderlich ist, wie z.B. beim Zusammenfügen sehr kleiner Teile. Wenn andererseits die Werkzeughaltewelle oder das Werkzeug sehr große Bewegungen ausführen sollen, kann der Verstärkungsfaktor derart eingestellt werden, dass die der Eingabevorrichtung vermittelte Bewegung der Hand des Benutzers zu größeren translatorischen und/oder Drehbewegungen der Werkzeughaltewelle oder des Werkzeugs führt. Eine in dieser Weise vorgenommene Maßstabsvergrößerung der Bewegungen der Hand des Benutzers ermöglicht dem Benutzer, seine Hand relativ stationär in der bequemsten Position zu halten, was wiederum die Handhabungspräzision des Benutzers erhöht. Wenn das Steuersystem 400 ein Kraft-Feedback an die Eingabevorrichtung vorsieht, kann der Verstärkungsfaktor des Steuersystems 400 auch dahingehend eingestellt werden, dass das Tastempfinden des Benutzers verbessert wird. Beispielsweise kann der von der Hand des Benutzers gefühlte Widerstand gegenüber einer Bewegung der Eingabevorrichtung 402 dahingehend gesteuert werden, dass er größer ist als derjenige Widerstand, auf den das Werkzeug trifft, so dass der Benutzer selbst niedrige Niveaus auf das Werkzeug einwirkender Widerstände deutlich wahrnehmen kann. Das Vergrößern des Maßstabs des vom Benutzer wahrgenommen Widerstands ist zweckmäßig, wenn das Werkzeug weiches Gewebe kontaktiert. Wenn hingegen das Werkzeug Knochen oder andere harte Materialien kontaktiert, kann es wün schenswert sein, den vom Benutzer empfundenen Widerstand im Maßstab zu reduzieren.
Die meisten Personen erfahren ein gewisses Maß an Tremor in ihren Händen, wenn sie manuelle Operationen durchführen. Falls das Steuersystem 400 eine manuell betätigte Eingabevorrichtung hat, kann das Steuersystem 400 mit einem Filter versehen sein, der diejenigen Komponenten eines Signals aus der Eingabevorrichtung 402 herausfiltert, welche die Frequenz des Tremors aufweisen, so dass der Tremor nicht in den Bewegungen der Werkzeughaltewelle oder des Werkzeugs reproduziert wird.
27-34 zeigen weitere Beispiele von Kardan-Typ-Handgelenkmechanismen zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. 27 und 28 zeigen von vorne betrachtete Seitenansichten eines Handgelenkmechanismus, der durch Konnektoren betätigt wird, die durch Torsion statt durch Spannung oder Kompression wirken. Wie der Handgelenkmechanismus gemäß 15 weist der Handgelenkmechanismus gemäß 27 und 28 ein Halterohr 410 zum drehbaren Halten eines Werkzeugs 322 und einen das Halterohr 410 umgebenden Ring 415 auf. Das Halterohr 410 braucht nicht irgendeine bestimmte Struktur zu haben. Beispielsweise kann seine Struktur im Wesentlichen der Struktur des Halterohrs 331 gemäß 5 gleichen. Das Werkzeug 322 kann wie dasjenige gemäß 15 mit einem Mechanismus zum Drehen des Werkzeugs 322 um seine Achse oder zum Betätigen der bewegbaren Komponenten des Werkzeugs 322 verbunden sein. Zur Vereinfachung der Zeichnungen ist jedoch ein derartiger Mechanismus in 27-34 weggelassen. Wie bei der Ausführungsform gemäß 15 ist das Halterohr 410 in beliebiger geeigneter Weise von dem Ring 415 zur Schwenkung um eine erste Achse gehalten, und der Ring 415 ist in beliebiger geeigneter Weise durch ein Rohr 321 oder ein anderes zweckmäßiges Halteteil zur Schwenkung eine zweite Achse gehalten, die rechtwinklig zur ersten Achse verläuft. Beispielsweise kann das Halterohr 410 durch zwei Lager 411 (von denen nur eines gezeigt ist) schwenkbar gehalten sein, die an dem Ring 415 in Ausrichtung mit der ersten Achse befestigt sind, und der Ring 415 kann von zwei Lagern 416 schwenkbar gehalten sein, die an dem Rohr 321 in Ausrichtung mit der zweiten Achse befestigt sind. 27 zeigt den Handgelenkmechanismus in eines Ausgangsposition, in der das Werkzeug 322 mit der Achse des Rohrs 321 ausgerichtet ist, und 28 zeigt den Handgelenkmechanismus in einer Position, in der das Halterohr 410 aus seiner Ausgangsposition um die erste Achse geschwenkt ist. Das Halterohr 410 und der Ring 415 können jeweils durch einen drehbaren Konnektor 420 um die erste Achse bzw. die zweite Achse geschwenkt werden, der von einem beliebigen geeigneten Betätigungsteil gedreht werden kann, wie z.B. einem Motor 422, der an seinem oberen Ende befestigt ist. Jeder Konnektor 420 weist an seinem unteren Ende einen Schenkel 421 auf, der quer zur Achse des Konnektors 420 verläuft. Jeder Schenkel 421 ist derart mit dem Halterohr 410 oder dem Ring 415 verbunden, dass, wenn der Konnektor 420 um seine Achse gedreht wird, eine Bewegung des Schenkels 421 um die Achse des Konnektors 420 bewirkt, dass das Halterohr 410 oder der Ring 415 um die erste oder zweite Achse geschwenkt wird. Beispielsweise steht bei der vorliegenden Ausführungsform ein Vorsprung 412 von dem Halterohr 410 in Ausrichtung mit der ersten Achse ab, ein weiterer Vorsprung 417 steht von dem Ring 415 in Ausrichtung mit der zweiten Achse ab, und der Schenkel 421 jedes Konnektors 420 greift locker mit einem Schlitz oder einer anderen Öffnung zusammen, die in dem entsprechenden Vorsprung ausgebildet ist, wie z.B. mit dem im Vorsprung 412 ausgebildeten Schlitz 413. Wenn der Konnektor 420 um seine Achse gedreht wird, drückt der Schenkel 421 des Konnektors 420 gegen eine der Seiten des Schlitzes und bewirkt dadurch, dass das Halterohr 410 oder der Ring 415 um die erste oder zweite Achse geschwenkt wird. Der Schlitz kann langgestreckt ausgebildet sein, um dem Vorsprung 412, 417 zu ermöglichen, mit dem Schenkel 421 des entsprechenden Konnektors 420 in Eingriff zu bleiben, während die Ausrichtung des Halterohrs 410 oder des Rings 414 variiert.
29 zeigt ein weiteres Beispiel eines Handgelenkmechanismus vom Kardan-Typ, bei dem ein Halterohr 425 und ein Ring 435 durch Konnektoren, die mit Torsionseffekt arbeiten, um erste bzw. zweite Achsen gedreht werden. Das Halterohr 425 und der Ring 435, die in ihrer Struktur ähnlich wie diejenigen gemäß der vorhergehenden Ausführungsform ausgelegt sind, können auf jede beliebige Weise schwenkbar gelagert sein. Beispielsweise ist in 29 das Halterohr 425 durch zwei Lager 426 schwenkbar gelagert, die an dem Ring 435 in Ausrichtung mit der ersten Achse befestigt sind, und der Ring 435 ist durch zwei Lager 436 schwenkbar gelagert, die an einem Rohr 321 in Ausrichtung mit der zweiten Achse befestigt sind. Bei diesem Beispiel ist das Halterohr 425 mit einem Zahnrad 427 versehen, das an ihm koaxial mit der ersten Achse befestigt ist, und der Ring 435 ist mit einem Zahnrad 437 versehen, das an ihm koaxial mit der zweiten Achse befestigt ist. Das Zahnrad 427 an dem Halterohr 425 kämmt mit einem weiteren Zahnrad 428, das am unteren Ende einer Antriebswelle 429 befestigt ist, die durch einen Motor 430 oder ein anderes Betätigungsteil, das an ihrem oberen Ende befestigt ist, um ihre Achse gedreht werden kann. In ähnlicher Weise kämmt das Zahnrad 437 an dem Ring 435 mit einem weiteren Zahnrad 438, das am unteren Ende einer Antriebswelle 439 befestigt ist, die durch einen Motor 440 oder ein anderes Betätigungsteil, das an ihrem oberen Ende befestigt ist, um ihre Achse gedreht werden kann. Die Zahnräder 427, 428, 437, 438 können von jedem Typ sein, der in der Lage ist, ein Drehmoment zu übertragen, wenn die Drehachsen der beiden kämmenden Zahnräder nicht miteinander ausgerichtet sind. In 29 sind die Zahnräder Kegelräder, die zwei rechtwinklige Antriebsvorrichtungen bilden. Falls zu erwarten ist, dass sich eines der Zahnräder um weniger als 360° um seine Achse dreht, kann das Zahnrad als Zahnrad-Sektor (ein Zahnrad, das sich nur um ein Kreissegment dreht) ausgebildet sein, um sein Gewicht zu reduzieren. Die zweite Achse, um die sich der Ring 435 dreht, hält stets einen konstanten Winkel zur Vertikalen und relativ zu der Achse der Antriebswelle 439 für den Ring 435 ein. Im Gegensatz dazu variiert bei Drehung des Rings um die zweite Achse der Winkel, der relativ zur Vertikalen der ersten Achse existiert, um die sich das Halterohr dreht. Deshalb können die beiden Zahnräder 427, 428 für das Halterohr 425 derart gewählt werden, dass sie in der Lage sind, ein Drehmoment zueinander zu übertragen, wenn ihre Drehachsen unter einem von zahlreichen verschiedenen Winkeln zueinander angeordnet sind. Alternativ kann die Antriebswelle 429 zum Drehen des Halterohrs 425 eine flexible Welle sein, oder es kann ein Universalgelenk 431 oder ein anderes Gelenk an der Welle 429 installiert sein, damit das untere Ende der Welle 429 verschiedene Winkel relativ zu dem oberen Ende der Welle 429 einnehmen kann und die Drehachsen der beiden Zahnräder 427, 428 für das Halterohr 425 einen konstanten Winkel relativ zueinander aufrechterhalten können.
30 zeigt eine Variation der Struktur gemäß 29, bei der die Kegelradantriebe gemäß 29 durch Schneckenradgetriebe ersetzt worden sind, die jeweils eine Schnecke, welche an dem unteren Ende einer Drehwelle angeordnet ist, und ein Schneckenrad aufweisen, welches an dem Halterohr 425 oder dem Ring 435 koaxial mit der ersten bzw. zweiten Achse ausgerichtet ist. Gemäß 30 ist eine Schnecke 432 an dem unteren Ende der Antriebswelle 429 befestigt, und ein Schneckenrad 433, das mit der Schnecke 432 zusammengreift, ist an dem Halterohr 425 in Ausrichtung mit der ersten Achse befestigt. In ähnlicher Weise ist eine Schnecke 441 an dem unteren Ende der Antriebswelle 439 befestigt, und ein Schneckenrad 442, das mit der Schnecke 441 zusammengreift, ist an dem Ring 435 in Ausrichtung mit der zweiten Achse befestigt. Jede Antriebswelle 429, 439 kann durch einen Motor 430, 440 oder ein anderes geeignetes Betätigungsteil, das an ihrem oberen Ende befestigt ist, um ihre Achse gedreht werden. Wie im Zusammenhang mit 29 beschrieben, kann die Antriebswelle 429 zum Drehen des Halterohrs 425 ein Universalgelenk 431 aufweisen oder in anderer Weise derart strukturiert sein, dass sie ein Drehmoment auf das Schneckenrad 433 übertragen kann, wenn die Achse des Schneckenrads 432 aufgrund der Tatsache, dass sich der Ring 435 um die zweite Achse dreht, nicht vertikal angeordnet ist.
31 zeigt eine explodierte Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Handgelenkmechanismus vom Kardan-Typ. Bei diesem Beispiel sind ein Halterohr 450 und ein Ring 455, die in ihrer Struktur ähnlich wie diejenigen gemäß der vorhergehenden Ausführungsform ausgelegt sind, in einer beliebigen geeigneten Weise derart drehbar gelagert, dass sie um eine erste Achse bzw. eine zweite Achse, die rechtwinklig zur ersten Achse verläuft, geschwenkt werden können. Beispielsweise kann das Halterohr 450 durch zwei Lager 451 schwenkbar gelagert sein, die an dem Ring 455 in Ausrichtung mit der ersten Achse befestigt sind, und der Ring 455 kann durch zwei Lager 456 schwenkbar gelagert sein, die an einem Rohr 321 in Ausrichtung mit der zweiten Achse befestigt sind. Das Halterohr 450 und der Ring 455 sind mit einem Ritzel 452 und 457 versehen, die an ihnen koaxial mit der ersten Achse oder der zweiten Achse angeordnet sind. Das Halterohr 450 und der Ring 455 können um die ersten und zweiten Achsen mittels erster und zweiter koaxialer Rohre 460 und 465 gedreht werden, die jeweils mit einem der Ritzel 452 oder 457 zusammengreifen, um das Ritzel und das Halterohr 450 oder den Ring 455 um ihre Achsen zu drehen. Das erste Rohr 460 weist an seinem unteren Ende angeformte oder befestigte Zahnradzähne 461 zum Zusammengriff mit dem Ritzel 452 des Halterohrs 450 auf, und das zweite Rohr 465 weist an seinem unteren Ende angeformte oder befestigte Zahnradzähne 466 zum Zusammengriff mit dem Ritzel 457 des Rings 455 auf. Jedes der Rohre 460, 465 kann durch einen Motor oder ein anderes geeignetes Betätigungsteil um seine Längsachse gedreht werden. Beispielsweise wird gemäß 31 jedes Rohr mittels eines Motors 462 über eine Rolle 463 gedreht, die an der Abtriebswelle des Motors 462 befestigt ist und sich in Reibeingriff mit der Außenfläche eines der Rohre 460, 465 befindet. Gemäß einem weiteren Beispiel kann jeder Motor 462 ein Ritzel antreiben, das mit Zahnradzähnen zusammengreift, die in Umfangsrichtung des entsprechenden Rohrs 460, 465 verlaufen. Der Winkel der Drehachse des Ritzels 457 für den Ring 455 (die der zweiten Achse entspricht) bleibt relativ zu der Drehachse des zweiten Rohrs 465 konstant; der Winkel der Drehachse des Ritzels 452 für das Halterohr 450 (die der ersten Achse entspricht) variiert jedoch relativ zu der Drehachse des ersten Rohrs 460, wenn der Ring 455 um seine Achse gedreht wird. Somit werden die Zahnradzähne 461 an dem ersten Rohr 460 und das Ritzel 452 an dem Halterohr 450 vor zugsweise derart gewählt, dass die Übertragung von Drehmomenten zwischen ihnen unter vielen verschiedenen Winkeln zwischen ihren Drehachsen möglich ist.
Anstelle der Verwendung von Zahnrädern zur Verbindung der Rohre mit dem Ring 455 und dem Halterohr 450 können die Zahnräder 452, 457 durch Rollen ersetzt werden, und die Zahnradzähne 461, 466 können durch Reibflächen ersetzt werden, die an den unteren Enden der Rohre ausgebildet sind und in Kontakt mit den Rollen stehen.
32-34 zeigen Ansichten eines weiteren Beispiels eines Kardan-Typ-Handgelenkmechanismus zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. 32 zeigt eine explodierte Ansicht des Handgelenkmechanismus. 33 zeigt eine Seitenansicht des Handgelenkmechanismus gemäß 32 in dem Zustand, in dem sich ein Halterohr des Handgelenkmechanismus in einer horizontalen Ausgangsposition befindet, und 34 zeigt eine Seitenansicht der Handgelenkmechanismus mit in einer Schrägposition angeordnetem Halterohr. Wie bei den vorhergehenden Mechanismen weist dieser Mechanismus ein Halterohr 470 und einen das Halterohr 470 umgebenden Ring 475 auf, wobei das Halterohr 470 von dem Ring 475 schwenkbar zur Drehung um eine erste Achse gehalten ist, und wobei der Ring 475 durch ein geeignetes Teil, wie z.B. ein entsprechendes Rohr 321, schwenkbar zur Schwenkung um eine zweite Achse gehalten ist, die rechtwinklig zur ersten Achse verläuft. Das Halterohr 470 und der Ring 475 können in jeder beliebigen Weise schwenkbar gehalten sein. Beispielsweise ist in 32 das Halterohr 470 durch zwei Lager 471 schwenkbar gehalten, die an dem Ring 475 in Ausrichtung mit der ersten Achse befestigt sind, und der Ring 475 ist durch zwei Lager 476 schwenkbar gehalten, die an dem Rohr 321 in Ausrichtung mit der zweiten Achse befestigt sind. Ein drehbares erstes Rohr 480 weist an seinem unteren Ende einen Nockenvorsprung 481 auf, der in der Axialrichtung des ersten Rohrs 480 gegen zwei Nockenfolger 472 an dem Halterohr 470 gedrückt wird, und ein drehbares zweites Rohr 485, das koaxial mit dem ersten Rohr 480 angeordnet ist und dieses umgibt, weist an seinem unteren Ende einen Nockenvorsprung 486 auf, der in der Axialrichtung des zweiten Rohrs 485 gegen zwei Nockenfolger 477 an dem Ring 475 gedrückt wird. Die gezeigten Nockenfolger 472, 477 weisen Stifte auf, die von der Außenumfangsfläche des Halterohrs 470 oder des Rings 475 an gegenüberliegenden Seiten eines der Lager 471 oder eines der Lager 476 abstehen, jedoch können die Nockenfolger jede beliebige Struktur aufweisen, die es ihnen ermöglicht, den Nockenvorsprung oder einen anderen Teil des unteren Endes des entsprechenden Rohrs 480, 485 an verschiedenen Drehpositionen der Rohre zu kontaktieren. Jedes Rohr 480, 485 wird durch die Schwerkraft und/oder mittels eines Vorspannteils wie z.B. einer Feder in der Axialrichtung gegen die entsprechenden Nockenfolger gedrückt. Jedes Rohr 480, 485 kann durch einen Motor oder ein anderes geeignetes Betätigungsteil um seine Längsachse gedreht werden. Beispielsweise kann gemäß 32 jedes Rohr durch einen Motor 482 gedreht werden, der eine reibend mit dem Rohr zusammengreifende Rolle 483 antreibt. Wenn eines der Rohre gedreht wird, verändert sich die Stelle des Nockenvorsprungs an dem Rohr relativ zu den entsprechenden Nockenfolgern, und das Halterohr 470 oder der Ring 475 werden derart geschwenkt, dass ihre beiden Nockenfolger in Kontakt mit dem entsprechenden Nockenvorsprung gehalten werden. Als Beispiel ist in 33 und 34 gezeigt, wie die Drehung des ersten Rohrs 480 das Halterohr 470 um die erste Achse schwenken kann. 33 zeigt das erste Rohr 480 in einer Ausgangs-Drehposition, in welcher der Nockenvorsprung 281 relativ zu den Nockenfolgern 472 zentriert ist und das Halterohr 470 horizontal verläuft. 34 zeigt das erste Rohr 480 nach einer derartigen Drehung um seine Längsachse ausgehend von seiner Ausgangsposition, dass der Nockenvorsprung 481 aus der Position gemäß 33 nach links bewegt worden ist. Da das erste Rohr 480 stets in seiner Längsrichtung gegen die Nockenfolger 472 an dem Halterohr 470 gedrückt wird, schwenkt das Halterohr 470 in der Figur im Gegenuhrzeigersinn, um beide Nockenfolger 472 in Kontakt mit dem Nockenvorsprung 481 oder einem anderen Bereich des unteren Endes des ersten Rohrs zu halten. Der Drehwinkel des Halterohrs 470 relativ zu der horizontalen Position gemäß 33 hängt vom Betrag der Drehung des ersten Rohrs 480 ab. Falls das erste Rohr 480 um seine Längsachse in der Gegenrichtung in der Figur gedreht wird, dreht sich das Halterohr 470 im Uhrzeigersinn auf einen Winkel, der dem Drehbetrag des ersten Rohrs 480 entspricht. Der Ring 475 kann in ähnlicher Weise von dem zweiten Rohr 485 um die zweite Achse gedreht werden.
Die in 27-34 gezeigten verschiedenen Mechanismen zum Schwenken eines Halterohrs und eines Rings eines Handgelenkmechanismus um die ersten und zweiten Achsen können miteinander kombiniert werden, wobei ein Typ von Mechanismus zum Schwenken des Halterohrs und ein anderer Typ von Mechanismus zum Schwenken des Rings verwendet wird. Beispielsweise kann ein Zahnradantrieb wie der in 29 oder 30 gezeigte zum Schwenken des Rings verwendet werden, und eine Anordnung wie diejenige gemäß 27, die eine Welle mit einem Schenkel 421 zum Zusammengriff mit einem Vorsprung aufweist, kann zum Schwenken des Halterohrs um die erste Achse verwendet werden.

Claims

Manipulator (10, 50, 100, 180, 220) zur Verwendung bei medizinischen Eingriffen, mit ersten und zweiten Armen (21, 22, 53, 55, 61, 63, 103, 106, 107, 108, 110, 121, 123, 186, 190, 192, 194, 205, 206, 238, 258); und einem medizinischen Werkzeug (12, 171), das mittels der ersten und zweiten Arme schwenkbar gelagert ist, wobei jeder Arm das medizinische Werkzeug an einer unterschiedlichen Stelle lagert, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Arm ein zugehöriges erstes Betätigungsteil (54, 62, 104, 105, 122, 230, 250) zum Bewirken einer Längsbewegung des betreffenden Arms und ein zugehöriges zweites Betätigungsteil (51, 60, 101, 121, 235, 255) zum Bewirken einer Schwenkbewegung des betreffenden Arms aufweist, derart, dass die Arme unabhängig voneinander in einer Längsrichtung und einer Schwenkrichtung bewegbar sind, um das Werkzeug mit mindestens drei Freiheitsgraden zu handhaben.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem das zweite jedem Arm zugehörige Betätigungsteil (51, 60, 101, 121) ein Dreh-Betätigungsteil aufweist.
Manipulator nach Anspruch 2, bei dem jedes Dreh-Betätigungsteil (51, 60, 101, 121) einen bürstenlosen spaltlosen Gleichstrommotor aufweist.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem der erste Arm (53, 55, 103, 106, 107,108) um eine erste Achse schwenkbar ist und der zweite Arm (61, 63, 121, 123) um eine zweite Achse schwenkbar ist und die ersten und zweiten Achsen miteinander ausgerichtet sind.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten Achsen vertikal verlaufen.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem jeder Arm (21, 22, 53, 55, 61, 63, 103, 106, 107, 108, 110, 121, 123, 186, 190, 192, 194, 205, 206, 238, 258) mehrere Lenker aufweist, die in Reihe miteinander verbunden sind, wobei jeder Lenker relativ zu einem benachbarten der Lenker bewegbar ist.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem jeder der Arme erste und zweite Lenker (53, 55, 61, 63) aufweist, die durch das erste Betätigungsteil (54, 62) miteinander verbunden sind, um den zweiten Lenker relativ zu dem ersten Lenker in einer Längsrichtung des zweiten Lenkers translatorisch zu bewegen.
Manipulator nach Anspruch 7, bei dem jedes erste Betätigungsteil (54, 62) einen Linearmotor aufweist.
Manipulator nach Anspruch 8, bei dem jedes erste Betätigungsteil (54, 62) einen bürstenlosen Linear-Gleichstrommotor aufweist.
Manipulator nach Anspruch 4, bei dem jeder Arm erste und zweite Lenker (53, 55, 61, 63) aufweist, die durch das erste Betätigungsteil (54, 62) miteinander verbunden sind, um den zweiten Lenker relativ zu dem ersten Lenker in einer Längsrichtung des zweiten Lenkers rechtwinklig zur Drehachse des Arms translatorisch zu bewegen.
Manipulator nach Anspruch 1, mit einem Linear-Betätigungsteil (65), das mittels der Arme (53, 55, 61, 63) schwenkbar gelagert ist und das medizinische Werkzeug (12) zur Bewegung entlang eines quer zu den Armen verlaufenden linearen Wegs lagert.
Manipulator nach Anspruch 11, bei dem das Linear-Betätigungsteil (65) einen bürstenlosen Linear-Gleichstrommotor aufweist.
Manipulator nach Anspruch 1, mit einem Werkzeug-Halteteil (11, 170), an dem das Werkzeug (12, 171) befestigt ist, und das in den Körper eines Patienten einführbar ist und schwenkbar von den Armen gelagert ist.
Manipulator nach Anspruch 1, mit einem Controller (401), der die Bewegung der Arme koordiniert, um das Werkzeug-Halteteil mit einem virtuellen Schwenkpunkt ausgerichtet zu halten.
Manipulator nach Anspruch 14, bei dem die Position des virtuellen Schwenkpunkts entlang des Werkzeug-Halteteils durch den Controller (401) variiert werden kann.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem jeder Arm (53, 55, 61, 63) ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, das relativ zu dem ersten Ende auf Bewegungen in einer Ebene beschränkt ist.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem einer der Arme (103, 106, 107, 108, 110) ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, das relativ zu dem ersten Ende zur Bewegung in drei Dimensionen in der Lage ist.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem jeder der Arme (186, 190, 192, 194, 205, 206) ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, das relativ zu dem ersten Ende zur Bewegung in drei Dimensionen in der Lage ist.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem der erste Arm (186, 190, 192, 194) ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, das relativ zu dem er sten Ende zur Bewegung in drei Dimensionen in der Lage ist, und der zweite Arm (205, 206) ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, das relativ zu dem ersten Ende des zweiten Arms zur Bewegung in drei Dimensionen in der Lage ist.
Manipulator nach Anspruch 1, bei dem der erste Arm (186, 190, 192, 194) erste und zweite Linear-Betätigungsteile (187, 188), einen ersten Lenker, der durch das erste Linear-Betätigungsteil in einer Längsrichtung des ersten Lenkers bewegbar ist, einen zweiten Lenker, der durch das zweite Linear-Betätigungsteil in einer Längsrichtung des zweiten Lenkers bewegbar ist, einen dritten Lenker, der schwenkbar mit dem zweiten Lenker verbunden ist, und einen vierten Lenker aufweist, der schwenkbar mit dem ersten Lenker und mit dem dritten Lenker verbunden ist.
Manipulator nach Anspruch 20, bei dem der zweite Arm (205, 206) ein drittes Linear-Betätigungsteil (201) und einen fünften Lenker aufweist, der mit dem dritten Linear-Betätigungsteil zur translatorischen Bewegung in einer Längsrichtung des fünften Lenkers verbunden ist.
Manipulator nach Anspruch 21, bei dem der zweite Arm (205, 206) einen sechsten Lenker aufweist, der schwenkbar mit dem fünften Lenker verbunden ist.