DE102012013511A1

DE102012013511A1 - Manipulator with serial and parallel kinematics

Info

Publication number: DE102012013511A1
Application number: DE201210013511
Authority: DE
Inventors: Alois Knoll; Mohammadali Nasseri; Martin Eder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-09
Also published as: DE112013003468A5; DE212013000250U1; WO2014005583A1

Abstract

Manipulator (10) mit serieller und paralleler Kinematik. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Manipulator (10) mit serieller und paralleler Kinematik zu schaffen, welcher sehr kompakt baut, wenig Gewicht bei hoher Steifigkeit und hoher Belastbarkeit aufweist, eine sehr präzise sowie flexible Ansteuerung zulässt und damit einen sicheren Betrieb ermöglicht. Der erfindungsgemäße Manipulator (10) wird dabei von elektrischen Aktoren, vorzugsweise Piezoaktoren, angetrieben. Für dessen Kinematik sind mindestens zwei Paar an Schubgelenken (20, 30) vorgesehen, die seriell hintereinander angeschlossen werden, wobei die einzelnen Paare wiederum selbst zueinander in paralleler Anordnung stehen und an das letzte Paar an Schubgelenken (30) ein weiteres einzelnes Schubgelenk (40) angeschlossen ist. Manipulator zur Verwendung vorzugsweise im medizinischen Umfeld.Manipulator (10) with serial and parallel kinematics. The object of the invention is to create a manipulator (10) with serial and parallel kinematics, which is very compact, has little weight, high rigidity and high load capacity, allows very precise and flexible control and thus enables safe operation. The manipulator (10) according to the invention is driven by electrical actuators, preferably piezo actuators. For its kinematics, at least two pairs of sliding joints (20, 30) are provided, which are connected in series one behind the other, the individual pairs in turn being in a parallel arrangement to one another and a further single sliding joint (40) to the last pair of sliding joints (30) connected. Manipulator for use preferably in a medical environment.

Description

Die Erfindung betrifft einen Manipulator entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a manipulator according to the preamble of claim 1.

Bei Manipulationen im Präzisionsbereich ist es notwendig, dass die Werkzeuge der Manipulatoren im Submillimeterbereich bzw. teilweise im Mikrometer- oder gar Nanometerbereich positioniert werden. Im Vergleich zu standardmäßigen Industrierobotern, welche etwa eine Wiederholgenauigkeit im Zehntelmillimeterbereich erreichen und dadurch beispielsweise zum Schweißen von Karosserien geeignet sind, unterliegen Manipulatoren für hochpräzise Bewegungen erhöhten Anforderungen hinsichtlich Steifigkeit der Mechanik, der verbauten Antriebstechnik und Steuerungstechnik. In der Regel weisen allerdings solch genaue Manipulatoren weitaus geringere Arbeitsräume auf als die erwähnten Industrieroboter, d. h. es sind meist nur Bewegungen von wenigen Zentimetern möglich.In the case of manipulations in the precision area, it is necessary for the tools of the manipulators to be positioned in the sub-millimeter range or in part in the micrometer or even nanometer range. Compared to standard industrial robots, which achieve a repeat accuracy in the tenth of a millimeter range and are thus suitable for welding of bodies, for example, manipulators for high-precision movements are subject to increased requirements in terms of rigidity of the mechanism, the installed drive technology and control technology. As a rule, however, such precise manipulators have much smaller working spaces than the industrial robots mentioned, ie. H. usually only movements of a few centimeters are possible.

Ein Anwendungsgebiet für solch feine Manipulationen ist beispielsweise die Medizintechnik und hierbei wiederum insbesondere die Ophthalmologie. Hier sollen im Auge eines Patienten etwa Blutgefäße mit diesen Manipulatoren erreicht werden, welche Durchmesser von ca. 80 Mikrometer aufweisen. Ebenfalls hochgenaue Manipulationen sind auch im Bereich der Biotechnologie relevant, etwa bei Mikroinjektionen. Als industrieller Zweck wären Manöver im Bereich der Halbleitertechnik, Lasertechnik oder Mikromechanik zu erwähnen, in denen es ebenfalls auf genaueste Bewegungen von Manipulatoren ankommt.An area of application for such fine manipulations is, for example, medical technology and in turn, in particular, ophthalmology. Here, blood vessels with these manipulators are to be achieved in the eye of a patient, which have diameters of about 80 microns. High-precision manipulations are also relevant in the field of biotechnology, for example microinjections. As an industrial purpose maneuvers in the field of semiconductor technology, laser technology or micromechanics should be mentioned, in which it also depends on the most accurate movements of manipulators.

Im Stand der Technik gibt es bereits eine Vielzahl an hochpräzisen Manipulatoren, die zur Mikro- und Nanopositionierung verwendet werden. Dabei kann es sich um einzelne Lineartische, Rotationstische, Kreuztische oder Hexapoden handeln, wie sie beispielsweise von der Firma Physik Instrumente GmbH und Co. KG in Karlsruhe vertrieben werden. Die Schrittweiten der Positionierbewegungen liegen je nach verwendeter Antriebstechnologie, welche DC-Motoren oder Piezomotoren umfassen kann, in der Größenordnung von Mikrometern bis hin zu Nanometern.The prior art already has a multitude of high-precision manipulators that are used for micro- and nanopositioning. These can be individual linear tables, rotary stages, cross tables or hexapods, as are sold, for example, by the company Physik Instrumente GmbH and Co. KG in Karlsruhe. Depending on the drive technology used, which may include DC motors or piezomotors, the increments of the positioning movements range from micrometers to nanometers.

Weiterhin ist in der PCT-Anmeldung WO 2009/140688 A2 ein Manipulator beschrieben, welcher speziell bei Augenoperationen zum Zwecke minimalinvasiver Eingriffe verwendet werden kann und einen vorgegebenen Pivotpunkt, d. h. einen sogenannten remote center of motion (RCM) aufweist, um den sich der gesamte Mechanismus herum bewegen bzw. rotieren kann. Angetrieben wird der Mechanismus über DC-Motoren, die seriell hintereinander angeordnet sind.Furthermore, in the PCT application WO 2009/140688 A2 a manipulator is described, which can be used especially for eye surgery for the purpose of minimally invasive procedures and a predetermined pivot point, ie a so-called remote center of motion (RCM), around which the entire mechanism can move around or rotate. The mechanism is driven by DC motors arranged serially one behind the other.

Aus der PCT-Anmeldung WO 2009/097539 A2 ist darüber hinaus ein Verfahren und eine Vorrichtung für roboterunterstütztes mikrochirurgisches Stenting bekannt, wobei die Vorrichtung auf einer Kombination aus parallelem Roboter und seriell angeschlossenem Werkzeug basiert. Der parallele Roboter besteht hierbei aus einem Hexapod nach Stand der Technik mit 6 parallel angesteuerten Achsen.From the PCT application WO 2009/097539 A2 In addition, there is known a method and apparatus for robotic microsurgical stenting based on a combination of a parallel robot and a serially connected tool. The parallel robot here consists of a hexapod according to the prior art with 6 axes controlled in parallel.

In der PCT-Anmeldung WO 2010/127109A1 wird ferner ein insbesondere für medizinische Zwecke vorgesehener Manipulator beschrieben, welcher aus 3 parallel zueinander angeordneten Achs-Subsystemen mit insgesamt 7 bis 9 Freiheitsgraden besteht, wobei die einzelnen Achs-Subsysteme aus seriell hintereinander angeordneten Gelenken aufgebaut sind. Insgesamt kann damit der Endeffektor in 6 Freiheitsgraden in redundanter Weise bewegt werden, wozu eine aufwändige Ansteuerung notwendig ist. Durch die hohe Anzahl an Gelenken und die Anordnung der zueinander parallelen Achs-Subsysteme, die wiederum an verschiedenen Raumfesten Punkten gegenüber der Umgebung verankert sind, ergibt sich ein Mechanismus, welcher durch hohen konstruktiven Aufwand bzw. sehr großes Bauvolumen gekennzeichnet und demnach in medizinischer Umgebung mit beengten Platzverhältnissen nur bedingt tauglich ist. Da mit jedem zusätzlichem Antrieb die Wahrscheinlichkeit von Oszillationen für das Gesamtsystem zunehmen, leidet die Präzision am Ende der Kinematik aufgrund der hohen Anzahl der Gelenke.In the PCT application WO 2010 / 127109A1 Furthermore, a particularly intended for medical purposes manipulator is described, which consists of 3 mutually parallel axis subsystems with a total of 7 to 9 degrees of freedom, the individual axle subsystems are constructed of serially arranged one behind the other joints. Overall, the end effector can thus be moved in 6 degrees of freedom in a redundant manner, for which a complex control is necessary. Due to the high number of joints and the arrangement of mutually parallel axis subsystems, which in turn are anchored to different space fixed points relative to the environment, a mechanism results, which is characterized by high design complexity and very large volume and therefore in a medical environment with cramped space is only conditionally suitable. Since each additional drive increases the likelihood of oscillations for the entire system, the precision at the end of the kinematics suffers due to the high number of joints.

Für minimalinvasive Eingriffe in der Medizindomäne mit Fokus auf die Wirbelsäule ist von der Firma Mazor Robotics Ltd., Israel, ein Operations-Assistent in Form einer geschlossenen parallelen Kinematik bekannt, der auf einem kleinen Hexapod-Roboter basiert. Der Roboter wird hierbei von 6 parallel angeordnete über DC-Kleinstmotoren angetriebene Miniaturspindeln bewegt.For minimally invasive spine surgery in the medical domain, Mazor Robotics Ltd., Israel, has a closed-parallel kinematics operation wizard based on a small hexapod robot. The robot is moved by 6 parallel miniature spindles driven by DC micromotors.

Weiterhin ist beispielsweise aus dem wissenschaftlichen Paper „Design of a Serial-Parallel Robot with Piezo Actuators for Micro and Nano Manipulations” (von D. Chakarov, K. Kostadinov et al, Institute of Mechanics, Sofia, Bulgarien, Proceedings of the Int. Conference an new Actuators and Drive Systems ”ACTUATOR 10”, Bremen, Germany, 14–16 June 2010, ISBN 978-3-933339-13-3, pp. 1058–1062, (2010)) ein Manipulator mit drei Freiheitsgraden bekannt, welcher auf einer kombinierten seriell-parallele Kinematik beruht und einen Arbeitsbereich im Mikrometerbereich aufweist. Durch die sowohl parallele als auch serielle Struktur wird dem Manipulator einerseits eine sehr hohe Steifigkeit und Stellkräfte verliehen als auch andererseits ein großer Arbeitsraum abgedeckt. Im Paper „Synthesis of tense piezo, structures for lokal micro- and nanomanipulations” (von D. Chakarov, M. Abed AI-Wahab, R. Kasper und K. Kostadinov, erschienen in den Proceedings of the ”8. Magdeburger Maschinenbau-Tage”, October 10–11, 2007, Magdeburg, pp. 173–180) werden ferner eine Reihe von kinematischen Kombinationsmöglichkeiten von Piezoaktoren aufgezeigt, welche jeweils geschlossene kinematische Ketten darstellen.Furthermore, for example, from the scientific paper "Design of a Serial-Parallel Robot with Piezo Actuators for Micro and Nano Manipulations" (by D. Chakarov, K. Kostadinov et al, Institute of Mechanics, Sofia, Bulgaria, Proceedings of the International Conference on New Actuators and Drive Systems) ACTUATOR 10 ", Bremen, Germany, 14-16 June 2010, ISBN 978-3-933339-13-3, pp. 1058-1062, (2010)) a manipulator with three degrees of freedom is known, which is based on a combined serial-parallel kinematics and has a working range in the micrometer range. Due to the parallel and serial structure, the manipulator is given a very high rigidity and actuating forces on the one hand and, on the other hand, a large working space is covered. In the paper "Synthesis of tense piezo, structures for local micro and nanomanipulations" (D. Chakarov, M. Abed AI-Wahab, R. Kasper and K. Kostadinov, published in the Proceedings of the "8. Magdeburg Mechanical Engineering Days ", October 10-11, 2007, Magdeburg, pp. 173-180) Furthermore, a number of kinematic combinations of piezo actuators are shown, which each represent closed kinematic chains.

Die oben genannten Manipulatoren aus dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass sie entweder aufgrund der verwendeten Antriebstechnik mit DC-Motoren, bei denen in der Regel zusätzliche Getriebe in der Antriebseinheit nötig sind, relativ groß bzw. schwer bauen und verhältnismäßig wenig Stellkraft aufweisen oder aber aufgrund der verwendeten Piezoaktoren einen nur recht geringen Arbeitsraum aufweisen. In puncto kinematischer Struktur bieten diejenigen Manipulatoren mit serieller Kinematik vergleichsweise größere Arbeitsräume auf Kosten der Präzision bzw. mechanischen Steifigkeit, während parallele Strukturen in der Regel kleinere Bewegungsbereiche erlauben. Oftmals weisen die bisher bekannten Manipulatoren eine sehr hohe Anzahl von Gelenken auf und besitzen eine sehr komplexe Struktur, so dass sich eine Regelung teils sehr aufwändig darstellt. Weiterhin besitzen viele der Manipulatoren aus dem Stand der Technik eine Kinematik, welche bei rein translatorischer oder rein rotatorischer Bewegung bereits eine Vielzahl von Bewegungen der einzelnen Gelenke notwendig macht. Gleichermaßen eignen sich viele bekannte Manipulatoren nur wenig für Bewegungen um einen sog. remote center of motion (RCM), also für Rotationsbewegungen um einen definierbaren Drehpunkt im Raum.The abovementioned prior art manipulators have the disadvantage that they either have a relatively large or heavy construction due to the drive technology used with DC motors, which usually require additional gearboxes in the drive unit, and that they have relatively little actuating force or but due to the piezo actuators used have only a very small working space. In terms of kinematic structure, those serial kinematics manipulators offer comparatively larger work spaces at the expense of precision or mechanical rigidity, while parallel structures typically allow smaller ranges of motion. Often, the previously known manipulators on a very high number of joints and have a very complex structure, so that a regulation is sometimes very complex. Furthermore, many of the manipulators from the prior art have a kinematics, which already makes a multiplicity of movements of the individual joints necessary in the case of purely translatory or purely rotational movement. Similarly, many known manipulators are not very suitable for movements around a so-called remote center of motion (RCM), ie for rotational movements about a definable pivot point in space.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Manipulator mit serieller und paralleler Kinematik angetrieben von elektrischen Aktoren zu schaffen, welcher sehr kompakt baut, wenig Gewicht bei hoher Steifigkeit und hoher Belastbarkeit aufweist und dabei eine sehr präzise sowie flexible Ansteuerung zulässt und damit einen sicheren Betrieb ermöglicht.The invention has for its object to provide a manipulator with serial and parallel kinematics powered by electric actuators, which is very compact, has low weight with high rigidity and high load capacity while allowing a very precise and flexible control and thus enables safe operation ,

Diese Aufgabe wird durch einen Manipulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen dargelegt.This object is achieved by a manipulator with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention are set forth in the respective subclaims.

Der erfindungsgemäße Manipulator sieht eine Kombination aus serieller und paralleler Kinematik vor und wird dabei von möglichst leicht bauenden und kompakten elektrischen Aktoren bzw. Elektromotoren, vorzugsweise Piezoaktoren, angetrieben. Für dessen Kinematik sind mindestens zwei Paar an Schubgelenken vorgesehen, die seriell hintereinander angeschlossen werden, wobei die einzelnen Paare wiederum selbst zueinander in paralleler Anordnung stehen und auf das letzte Paar an Schubgelenken ein weiteres einzelnes Schubgelenk angeschlossen ist. Das erste Paar an Schubgelenken ist dabei vorzugsweise an eine ortsfeste Basis angeschlossen, wobei diese ortsfeste Basis auch einstellbar gestaltet sein kann. Weiterhin ist das erste Paar an Schubgelenken in eine erste Richtung ausgerichtet und bietet die Möglichkeit, das damit verbundene zweite in eine zweite Richtung ausgerichtete Paar an Schubgelenken sowohl rotatorisch als auch translatorisch zu bewegen. Das zweite Paar an Schubgelenken bietet wiederum entweder dem daran angeschlossenen in eine dritte Richtung ausgerichteten weiteren einzelnen Schubgelenk als letztes Gelenk die Möglichkeit, sowohl rotatorisch als auch translatorisch zu bewegen. Wahlweise können noch weitere in verschiedene Richtungen ausgerichtete Paare an Schubgelenken zwischen dem zweiten Paar an Schubgelenken und dem einzelnen Schubgelenk als letztem Gelenk integriert werden. Es ist dabei vorteilhaft hinsichtlich der erreichbaren Präzision, wenn innerhalb der Schubgelenke tatsächlich linear wirkende elektrische Aktoren verbaut sind. Es ist zwar ebenso möglich, rotatorisch wirkende Aktoren zu verwenden, welche indirekt beispielsweise über Spindeltriebe eine lineare Stellbewegung generieren, jedoch ist die Präzision hierbei erwartungsgemäß etwas geringer. Es ist ferner von Vorteil, wenn die elektrischen Aktoren jeweils direkt innerhalb der Schubgelenke integriert sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Schubgelenke etwa durch Seilzüge, Stabverbindungen oder Gelenkwellen von extern platzierten elektrischen Antrieben zu bewegen, allerdings ist auch hierbei die erreichbare Präzision etwas geringer als bei einer direkten Integration. Eine externe Platzierung könnte entweder über eine Montage an einer Basis des Manipulators oder sogar über eine Montage außerhalb des Manipulators auf einer externen Haltevorrichtung realisiert sein. Hinsichtlich Baugröße sind vorzugsweise Schubgelenke vorgesehen, die jeweils Stellbewegungen im Bereich von etwa 50 mm aufweisen. Allerdings sind auch erheblich kleinere Schubgelenke mit ungefähr 10 mm Stellweg möglich. Ferner kann der Manipulator auch mit wesentlich größeren Schubgelenken ausgestattet werden, womit Stellbewegungen beispielsweise im Bereich von 1 m bewerkstelligt werden, wobei hierfür dann vorzugsweise elektrische Stellzylinder bzw. Elektromotoren mit Spindeltrieben einzusetzen wären.The manipulator according to the invention provides for a combination of serial and parallel kinematics and is thereby driven by as compact as possible and compact electrical actuators or electric motors, preferably piezoelectric actuators. For its kinematics, at least two pairs of push joints are provided, which are connected in series one behind the other, with the individual pairs themselves being in parallel alignment with each other, and another single sliding joint being connected to the last pair of push joints. The first pair of push joints is preferably connected to a stationary base, said stationary base can also be designed adjustable. Further, the first pair of pusher hinges are aligned in a first direction and provide the ability to translate the associated second pair of pusher hinges oriented in a second direction, both rotationally and translationally. The second pair of push joints in turn offers either the connected in a third direction further single shear joint as the last joint the ability to move both rotationally and translatorily. Optionally, further pairs of thrust joints oriented in different directions may be integrated between the second pair of thrust joints and the single thrust joint as the last joint. It is advantageous in terms of achievable precision when actually linearly acting electrical actuators are installed within the sliding joints. Although it is equally possible to use rotationally acting actuators which indirectly generate, for example via spindle drives a linear positioning movement, however, the precision is expected to be slightly lower here. It is also advantageous if the electrical actuators are each integrated directly within the sliding joints. Another possibility is to move the push joints about by cables, rod connections or drive shafts of externally placed electric drives, but also here the achievable precision is slightly lower than in a direct integration. An external placement could be realized either by mounting on a base of the manipulator or even by mounting it outside the manipulator on an external fixture. With regard to size, sliding joints are preferably provided which each have adjusting movements in the range of about 50 mm. However, significantly smaller push joints with about 10 mm travel are possible. Furthermore, the manipulator can also be equipped with much larger push joints, which adjusting movements are accomplished, for example in the range of 1 m, which would then preferably be used electric adjusting cylinder or electric motors with spindle drives.

Der wesentliche Vorteil der oben erläuterten Erfindung ist, dass aufgrund der inhärenten seriellen und parallelen Kinematik dem System sowohl hohe Steifigkeit als auch hohe Stellkraftreserven sowie großer Arbeitsraum eigen sind und damit Anwendungsfelder erschlossen werden können, die ein Höchstmaß an Präzision verlangen. Die parallele Anordnung zweier Schubgelenke zu Paaren erlaubt es, doppelt so viel Stellkraft in linearer Richtung zu erzeugen wie durch ein einzelnes Gelenk. Ferner kann durch die parallele Anordnung zweier Schubgelenke eine Rotation bzw. ein äquivalentes Rotationsgelenk dargestellt werden, welches im Vergleich zu einem einzelnen Rotationsgelenk kräftiger ist und mehr Drehmoment generieren kann. Eine Anordnung von zwei parallelen Schubgelenken ist demnach gegenüber einer Anordnung eines Schubgelenks in Kombination mit einem seriell angehängten Rotationsgelenk im Vorteil. Durch die seitens Antriebstechnik vorzugsweise verwendeten Piezoaktoren besitzt der Manipulator geringes Bauvolumen und damit auch geringes Eigengewicht, was sich positiv auf die damit verbundenen Stellkraftreserven auswirkt, die zusätzlich durch die jeweils parallele Anordnung der Aktoren sehr hoch ausfallen. Das geringe Bauvolumen der vorzugsweise verwendeten Piezoaktoren führt dazu, dass auch Anwendungsgebiete abgedeckt werden können, bei denen platzsparende bzw. schlanke Bauweise notwendig ist, beispielsweise wenn innerhalb medizinischer Umfelder der Manipulator mit weiteren medizinischen Instrumenten, beispielsweise Mikroskopen in einer gemeinsamen Umgebung integriert werden muss. Bei Verwendung der bevorzugten Piezoaktoren als Antriebe ergibt sich hinsichtlich manueller Bewegung des Manipulators ein entscheidender Vorteil. Da die in erster Linie zu verwendenden Piezoaktoren auf einer reibschlüssigen Übertragung der Bewegung beruhen, ist es möglich, bei Bedarf manuell per Hand Bewegungen des Manipulators zu erzeugen. Im Vergleich zu anderen Aktoren sind dabei keine zusätzlichen mechanischen Bauteile wie etwa Rutschkupplungen nötig.The main advantage of the above-described invention is that due to the inherent serial and parallel kinematics of the system both high rigidity and high reserve power reserves and large work space are intrinsically, and thus application fields can be developed, which require the highest degree of precision. The parallel arrangement of two push joints in pairs makes it possible to generate twice as much force in a linear direction as by a single joint. Furthermore, by the parallel arrangement of two thrust joints a rotation or an equivalent Rotation joint are shown, which is stronger compared to a single rotary joint and can generate more torque. An arrangement of two parallel thrust joints is thus advantageous over an arrangement of a thrust joint in combination with a serially attached rotary joint. Due to the piezoelectric actuators preferably used by drive technology, the manipulator has low construction volume and thus also low weight, which has a positive effect on the associated Stellkraftreserven, which are also very high by the respective parallel arrangement of the actuators. The low volume of construction of the preferably used piezoelectric actuators means that application areas can be covered in which space-saving or slim design is necessary, for example, if within medical environments of the manipulator with other medical instruments, such as microscopes must be integrated in a common environment. When using the preferred piezoelectric actuators as drives results in terms of manual movement of the manipulator a decisive advantage. Since the piezoelectric actuators to be used in the first place are based on a frictional transmission of the movement, it is possible, if necessary, to manually generate movements of the manipulator by hand. In comparison to other actuators, no additional mechanical components such as slip clutches are required.

Insbesondere im Falle eines steuerungstechnischen Ausfalls des Systems ist eine solche manuelle Bedienung von hohem Nutzen. Bei sicherheitskritischen Anwendungen wie etwa bei Manipulationen im Zusammenhang mit dem Menschen ist dieser Nutzen von großer Bedeutung, da in Notfallsituationen immer noch eine manuelle Bedienung durchführbar ist. Weiterhin ist das System aufgrund der reibschlüssigen Übertragung der Kräfte innerhalb der Piezoaktoren automatisch durch die maximal übertragbaren Kräfte bezüglich seiner maximalen resultierenden Gesamtstellkraft bzw. Stellmoment limitiert, was wiederum zur Betriebssicherheit beitragen kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Manipulators ist dessen Flexibilität bei der Bewegung, insbesondere dass der remote center of motion (RCM) beliebig einstellbar ist, also eine Rotationsbewegung um einen definierbaren Drehpunkt im Raum möglich ist, kinematische Verträglichkeit des Manipulators bezüglich dieses RCM vorausgesetzt. Zudem kommt der vorgestellte Manipulator mit einer minimalen Anzahl an Gelenken bei höchster Bewegungsmöglichkeit aus. Dank der sowohl seriellen als auch parallelen Anordnung der Gelenke sind während einzelner rotatorischer bzw. translatorischer Bewegungen des Manipulators nur eine sehr geringe Anzahl an Gelenken aktiv, wodurch sich der Manipulator mit geringster Neigung zum Schwingen sehr steif bewegen kann. Bei Bewegungen rein in x-, y-, oder z-Richtung bzw. bei Rotationen um diese Achsen sind jeweils nur ein Paar an Schubgelenken aktiv. Im Gegensatz zur Anordnung von Antrieben wie bei z. B. bei herkömmlichen Knickarmrobotern direkt an den zu bewegenden Gelenken, befinden sich die Antriebe beim vorgestellten Manipulator jeweils näher an der Basis des Manipulators und nicht am Ende der jeweils zueinander parallel stehende Paare an Schubgelenken. Demzufolge rückt der Schwerpunkt jedes einzelnen Paares an Schubgelenken weiter in Richtung Basis des Manipulators, so dass Gravitationslasten und insbesondere Massenträgheitsmomente reduziert werden, insofern dynamische Bewegungen schwingungsarm erfolgen können.In particular, in the case of a control-technical failure of the system, such manual operation is of great benefit. In safety-critical applications, such as human-related manipulations, this benefit is of great importance, since manual intervention is still possible in emergency situations. Furthermore, the system is automatically limited due to the frictional transmission of forces within the piezoelectric actuators by the maximum transferable forces with respect to its maximum resulting total actuating force or actuating torque, which in turn can contribute to operational safety. Another advantage of the manipulator according to the invention is its flexibility in the movement, in particular that the remote center of motion (RCM) is arbitrarily adjustable, ie a rotational movement about a definable pivot point in space is possible, assuming kinematic compatibility of the manipulator with respect to this RCM. In addition, the presented manipulator comes with a minimum number of joints with maximum movement. Thanks to both the serial and parallel arrangement of the joints, only a very small number of joints are active during individual rotational or translational movements of the manipulator, as a result of which the manipulator with very little tendency to oscillate can move very stiffly. For movements purely in the x-, y-, or z-direction or in the case of rotations about these axes, only one pair of sliding joints are active at a time. In contrast to the arrangement of drives such as z. B. in conventional articulated robots directly to the joints to be moved, the drives are in the presented manipulator respectively closer to the base of the manipulator and not at the end of each mutually parallel pairs of push joints. As a result, the center of gravity of each individual pair of push joints moves further towards the base of the manipulator, so that gravitational loads and in particular moments of inertia are reduced, insofar as dynamic movements can take place with little vibration.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below, for example, with reference to the drawings. Show it:

1: eine perspektivische Ansicht eines Manipulators mit serieller und paralleler Kinematik. 1 : A perspective view of a manipulator with serial and parallel kinematics.

2: eine perspektivische Ansicht eines Piezoaktors des Manipulators. 2 : A perspective view of a piezoelectric actuator of the manipulator.

3: eine perspektivische Ansicht eines Manipulators mit zusätzlichem manuell bewegbaren Schubgelenk an der Basis 3 : A perspective view of a manipulator with additional manually movable sliding joint on the base

4: eine perspektivische Ansicht eines Manipulators nach 3 mit zusätzlicher Brille und verstellbarem Gestänge 4 : a perspective view of a manipulator after 3 with additional glasses and adjustable linkage

5: eine perspektivische Ansicht eines Manipulators nach 4 mit Montage auf einem Operationstisch 5 : a perspective view of a manipulator after 4 with mounting on an operating table

6: eine perspektivische Darstellung eines Gesamtsystems für den Einsatz in medizinischer Umgebung 6 : A perspective view of an overall system for use in a medical environment

In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the various figures, corresponding components are provided with the same reference numerals.

In 1 wird eine perspektivische Ansicht eines Manipulators mit serieller und paralleler Kinematik dargestellt, der über elektrische Aktoren, insbesondere Piezoaktoren, angetrieben wird. Der Manipulator 10 weist hierbei ein erstes Paar an Schubgelenken 20 auf, welches aus zwei zueinander parallelen linearen Piezoaktoren besteht. Die Piezoaktoren besitzen hierbei Schrittweiten, die bis in den Nanometer-Bereich gehen können und aus steuerungstechnischer Sicht lediglich durch die Auflösung hochgenauer Positionsmesssysteme limitiert werden, beispielsweise im Bereich von Mikrometern. Der erste Piezoaktor besteht aus einem statischen Gehäuse 21 und einem beweglichen Schlitten 22, wobei sich der bewegliche Schlitten 22 entlang der ersten Achse 23 vor- und zurückbewegen kann. Am beweglichen Schlitten 22 ist ein Anschlussteil 24 angeschlossen, welches über ein Lager 25, beispielsweise ein Rillenkugellager, drehbar mit dem beweglichen Schlitten 22 verbunden ist. Der zweite Piezoaktor besteht ebenso wie der erste aus einem statischen Gehäuse 26 und einem beweglichen Schlitten 27, welcher sich entlang der zweiten Achse 28 vor- und zurückbewegen kann. Wiederum ist am beweglichen Schlitten 27 dasselbe Anschlussteil 24 angeschlossen, welches über ein verschiebliches Lager 29 drehbar mit dem beweglichen Schlitten 27 verbunden ist. Das verschiebliche Lager 29 kann hierbei aus einem Rillenkugellager bestehen, welches auf einer Linearschiene montiert ist. Das Rillenkugellager sorgt für den nötigen rotatorischen Freiheitsgrad, die Linearschiene sorgt den nötigen translatorischen Freiheitsgrad. Sofern die beiden Piezoaktoren des ersten Paares an Schubgelenken 20 gleichmäßig angesteuert werden, ergibt sich eine zueinander synchrone Bewegung der beweglichen Schlitten 22 bzw. 27 und daher eine rein translatorische Bewegung des Anschlussteils 24, an welches das zweite Paar an Schubgelenken 30 angeschlossen ist. Sobald die Bewegung der beiden beweglichen Schlitten 22 bzw. 27 nicht synchron gesteuert wird, ergibt sich eine zusätzliche Rotationsbewegung, die durch das Lager 25 und das verschiebliche Lager 29 an das Anschlussteil 24 und damit an das zweite Paar an Schubgelenken 30 weitergeleitet wird. Bei asynchroncher Ansteuerung resultiert demnach eine translatorische Bewegung, die von einer rotatorischen Bewegung überlagert wird. Um die bei der rotatorischen Bewegung auftretende Abstandsänderung an den Aufhängepunkten am Anschlussteil 24 mechanisch freizugeben, ist lediglich das Lager 25 fest mit dem Anschlussteil 24 verbunden, während die zweite Lagerstelle über ein verschiebliches Lager 29 realisiert ist, welches durch eine vorzugsweise verwendete Linearschiene verschieblich gegenüber der ersten Lagerstelle des Lagers 25 gestaltet ist. Weiterhin weist der Manipulator 10 ein zweites Paar an Schubgelenken 30 auf, welches vorzugsweise in orthogonaler Anordnung gegenüber dem ersten Paar an Schubgelenken 20 steht und an dieses seriell angeschlossen ist. Analog zum ersten Paar an Schubgelenken 20 besitzt das zweite Paar an Schubgelenken 30 einen ersten Piezoaktor mit einem statischen Gehäuse 31 und einem beweglichen Schlitten 32, der sich entlang der dritten Achse 33 vor -und zurückbewegen kann. Der zweite zum ersten Piezoaktor parallele Piezoaktor dieser Einheit besteht entsprechend aus einem statischen Gehäuse 36 und einem beweglichen Schlitten 37, der sich entlang der vierten Achse 38 vor -und zurückbewegen kann. Mechanisch äquivalent zum ersten Paar an Schubgelenken 20 besitzt das zweite Paar an Schubgelenken 30 ein Anschlussteil 34 mit einem Lager 35 und einem verschieblichen Lager 39. An das Anschlussteil 34 schließt sich ein weiteres einzelnes Schubgelenk 40 an, das vorzugsweise wiederum in orthogonaler Anordnung gegenüber dem zweiten Paar an Schubgelenken 30 steht und seriell an dieses angeschlossen ist. Dieses einzelne Schubgelenk 40 besteht aus einem Piezoaktor mit einem statischen Gehäuse 42 und einem beweglichen Schlitten 44, der sich entlang der fünften Achse 45 vor -und zurückbewegen kann. Am beweglichen Schlitten 44 des einzelnen Schubgelenks 40 befindet sich ferner eine Aufnahmevorrichtung 50 zur Fixierung eines Werkzeugs, beispielsweise eines medizinischen Operationsinstruments wie eine innerhalb der vitreoretinalen Ophthalmologie eingesetzte Injektionsnadel. Darüber hinaus kann die Aufnahmevorrichtung 50 über einen nicht dargestellten Schnellverschluss aufweisen, so dass montierte Werkzeuge oder ophthalmologische Operationsinstrumente innerhalb kürzester Zeit gewechselt werden können. Der Manipulator 10 nach 1 weist demnach fünf voneinander unabhängige Piezoaktoren auf, welche sowohl seriell als auch parallel zueinander angeschlossen sind und demnach eine Kombination aus serieller und paralleler Kinematik ergeben. Für den Fall, dass die Piezoaktoren des ersten Paares an Schubgelenken 20 und des zweiten Paares an Schubgelenken 30 jeweils paarweise synchron angesteuert werden, resultiert zusammen mit dem weiteren einzelnen Schubgelenk 40 ein Mechanismus, der ähnlich einem xyz-Positioniersystem arbeitet, d. h. dass drei zueinander orthogonale translatorische Bewegungen möglich sind. Sofern die Piezoaktoren der einzelnen Paare an Schubgelenken 20 und bzw. oder 30 asynchron gesteuert werden, resultieren sowohl rotatorische als auch translatorische Bewegungen des Mechanismus. Das Verhältnis aus translatorischem und rotatorischem Anteil der Bewegung kann hierbei beliebig durch entsprechend ausgeprägte synchrone bzw. asynchrone Ansteuerung realisiert werden. Insofern sind im Falle asynchroner Ansteuerung neben translatorischen xyz-Bewegungen auch Kippbewegungen um zwei weitere Achsen möglich, weswegen der Mechanismus 5 Freiheitsgrade insgesamt aufweist. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Manipulator 10 mit einer sterilisierbaren Hülle, beispielsweise einer Kunststoffhülle umgeben ist, welche bei medizinischen Anwendungen stets nach einer Operation gewechselt werden kann. Eine von 1 abgeleitete Variante des Manipulators 10 könnte so aussehen, dass anstelle der direkt auf dem einzelnen Schubgelenk 40 bzw. dem beweglichen Schlitten 44 montierten Aufnahmevorrichtung 50 ein weiteres Drehgelenk zwischengeschlossen ist, vorteilhafterweise in Form eines rotatorischen Piezoaktors, so dass die Aufnahmevorrichtung 50 selbst wiederum eine zusätzliche Rotationsbewegung koaxial zur translatorischen Bewegung des einzelnen Schubgelenks 40 entlang Achse 45 ausführen kann. Insofern hätte diese Variante 6 Freiheitsgrade im Raum und würde die Möglichkeit bieten, montierte Werkzeuge längs ihrer Achse kontrolliert rotieren zu lassen. Eine weitere Alternative zu der in 1 vorgestellten Ausprägungsform des Manipulators 10 oder als zusätzliche Ergänzung zur eben genannten abgeleiteten Variante mit weiterem rotatorischen Piezoaktor kann das einzelne Schubgelenk 40 bzw. dessen beweglicher Schlitten 44 über einen zusätzichen Kraftsensor verfügen, welcher koaxial zu diesem Gelenk ausgerichtet ist und die Kräfte längs der Achse 45 detektieren kann. Dadurch können Applikationen realisiert werden, die besonders sensibel hinsichtlich der ausgeübten Kräfte des Manipulators 10 an dessen beweglichen Schlitten 44 mit montierter Aufnahmevorrichtung 50 für ein Werkzeug sind.In 1 a perspective view of a manipulator with serial and parallel kinematics is shown, which is driven by electrical actuators, in particular piezoelectric actuators. The manipulator 10 here has a first pair of push joints 20 on, which consists of two mutually parallel linear piezoelectric actuators. The piezo actuators have step sizes that can go into the nanometer range and are limited from a control point of view only by the resolution of high-precision position measuring systems, for example in the range of micrometers. The first piezoelectric actuator consists of a static housing 21 and a mobile carriage 22 , where the movable carriage 22 along the first axis 23 can move back and forth. On the mobile slide 22 is a connection part 24 connected via a warehouse 25 , For example, a deep groove ball bearing, rotatable with the movable carriage 22 connected is. The second piezoelectric actuator consists of the same as the first of a static housing 26 and a mobile carriage 27 which extends along the second axis 28 can move back and forth. Again, on the moving carriage 27 same connection part 24 connected, which has a movable warehouse 29 rotatable with the movable carriage 27 connected is. The movable warehouse 29 can consist of a deep groove ball bearing, which is mounted on a linear rail. The deep groove ball bearing provides the necessary rotational degree of freedom, while the linear rail provides the required translatory degree of freedom. Provided the two piezo actuators of the first pair of push joints 20 be driven equally, results in a synchronous movement of the movable carriage 22 respectively. 27 and therefore a purely translational movement of the connection part 24 to which the second pair of push joints 30 connected. Once the movement of the two moving slides 22 respectively. 27 is not synchronously controlled, there is an additional rotational movement through the bearing 25 and the movable bearing 29 to the connection part 24 and thus to the second pair of push joints 30 is forwarded. In asynchronous control therefore results in a translational movement, which is superimposed by a rotational movement. The change in distance occurring at the suspension points at the connection part during the rotary movement 24 Releasing mechanically is merely the bearing 25 firmly with the connection part 24 connected while the second storage location via a sliding bearing 29 is realized, which is displaceable by a preferably used linear rail relative to the first bearing of the bearing 25 is designed. Furthermore, the manipulator points 10 a second pair of push joints 30 which is preferably in an orthogonal arrangement with respect to the first pair of push joints 20 is and connected to this serial. Analogous to the first pair of push joints 20 owns the second pair of push joints 30 a first piezoelectric actuator with a static housing 31 and a mobile carriage 32 moving along the third axis 33 can move back and forth. The second piezoelectric actuator of this unit, which is parallel to the first piezoelectric actuator, accordingly consists of a static housing 36 and a mobile carriage 37 moving along the fourth axis 38 can move back and forth. Mechanically equivalent to the first pair of push joints 20 owns the second pair of push joints 30 a connection part 34 with a warehouse 35 and a movable warehouse 39 , To the connection part 34 joins another single shear joint 40 in turn, preferably in an orthogonal arrangement relative to the second pair of push joints 30 is connected and connected serially to this. This single shear joint 40 consists of a piezoelectric actuator with a static housing 42 and a mobile carriage 44 that goes along the fifth axis 45 can move back and forth. On the mobile slide 44 of the single push joint 40 there is also a receiving device 50 for fixing a tool, for example a medical surgical instrument, such as an injection needle used within vitreoretinal ophthalmology. In addition, the recording device 50 have a quick release, not shown, so that mounted tools or ophthalmic surgical instruments can be changed within a very short time. The manipulator 10 to 1 Accordingly, it has five independent piezoelectric actuators, which are connected both serially and in parallel to each other and thus result in a combination of serial and parallel kinematics. In the event that the piezo actuators of the first pair of push joints 20 and the second pair of push joints 30 are controlled synchronously in pairs, resulting together with the other single shear joint 40 a mechanism that works similar to an xyz positioning system, ie that three orthogonal translatory movements are possible. If the piezo actuators of each pair of push joints 20 and / or or 30 Asynchronously controlled, both rotational and translational movements of the mechanism result. The ratio of translational and rotational component of the movement can hereby be arbitrarily realized by correspondingly pronounced synchronous or asynchronous control. In this respect, in the case of asynchronous control in addition to translational xyz movements and tilting movements about two other axes are possible, which is why the mechanism 5 Total degrees of freedom. In addition, it is beneficial if the manipulator 10 is surrounded with a sterilizable sheath, such as a plastic sheath, which can be changed in medical applications always after surgery. One of 1 derived variant of the manipulator 10 could look like that instead of being directly on the single shear joint 40 or the movable carriage 44 mounted receiving device 50 another rotary joint is interposed, advantageously in the form of a rotary piezoelectric actuator, so that the receiving device 50 itself again an additional rotational movement coaxial with the translational movement of the individual sliding joint 40 along axis 45 can perform. In this respect, this variant would have 6 Degrees of freedom in the room and would offer the possibility to rotate mounted tools controlled along its axis. Another alternative to the in 1 presented manifestation form of the manipulator 10 or as an additional supplement to the aforementioned derived variant with further rotary piezoelectric actuator, the single thrust joint 40 or its movable carriage 44 have an additional force sensor which is coaxial with this joint and the forces along the axis 45 can detect. As a result, applications can be realized that are particularly sensitive to the forces exerted by the manipulator 10 on the movable carriage 44 with mounted receiving device 50 for a tool.

In 2 ist eine perspektivische detailliertere Ansicht eines beispielhaften Piezoaktors des Manipulators dargestellt. Alle bereits in 1 beschriebenen Piezoaktoren sind grundsätzlich analog zu dem hier erläuterten Piezoaktor aufgebaut, können allerdings auch unterschiedliche Stellwege, Stellkräfte bzw. mechanische Dimension aufweisen. Der Piezoaktor, der jeweils einen einzelnen Teil eines Paares an Schubgelenken darstellt, besteht wie in 1 erwähnt aus einem statischen Gehäuse 21. Dieses statische Gehäuse 21 bietet mit seinen Durchgangsbohrungen Montagemöglichkeiten zur Fixierung an weitere externe Elemente und beinhaltet ein Linearlager, das beispielsweise als sehr steifes Kreuzrollenlager ausgeführt sein kann. Das Linearlager führt dabei den beweglichen Schlitten 22, der sich entlang der Achse 23 vor -und zurückbewegen kann. Das Wirkprinzip des Piezoaktors selbst kann beispielsweise auf einem Trägheitsantrieb basieren, vorzugsweise auf einem Stick-Slip-Antrieb, wie etwa in der WO 2008/052785 A1 beschrieben. Damit kann der bewegliche Schlitten 22 schrittweise in Nanometer-Skalierung bewegt werden, etwa mit 50 Nanometer Schrittweite. Darüber hinaus beinhaltet der Piezoaktor ein lineares Positionsmesssystem 60, der vorzugsweise als ein optischer inkrementeller Encoder mit mindestens Mikrometer-Auflösung ausgeprägt ist und idealerweise direkt zwischem dem statischen Gehäuse 21 und dem beweglichen Schlitten 22 sitzt und die lineare Bewegung zwischen dem statischen Gehäuse 21 und dem beweglichen Schlitten 22 detektiert. Das lineare Positonsmesssystem 60 kann beispielhaft als Sinus-Cosinus-Geber ausgeführt sein. Kommerziell verfügbar ist eine solcher Piezoaktor in Form einer Linearpositioniereinheit etwa von der Firma SmarAct GmbH, beispielsweise mit einer Baulänge von 50 Millimeter bei 31 Millimeter Stellweg mit einem Gewicht von nur 32 Gramm und einer Stellkraft von bis zu 5 Newton. Alternativ zu den oben beschriebenen Piezoaktor-Typen auf Basis eines Trägheitsantriebs bzw. eines Stick-Slip-Antriebs ist der erfindungsgemäße Manipulator 10 auch mittels Piezoaktoren darstellbar, die jeweils aus einer Reihe von piezoelektrischen bimorphen Beinen bestehen, wie sie etwa von der Firma Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG vertrieben werden.In 2 is a perspective detailed view of an exemplary piezoelectric actuator of the manipulator shown. All already in 1 described piezoelectric actuators are basically constructed analogously to the piezoelectric actuator explained here, but may also have different travel ranges, actuating forces or mechanical dimension. The piezoactuator, each representing a single part of a pair of thrust joints, is as in FIG 1 mentioned from a static housing 21 , This static housing 21 offers with its through holes mounting options for fixing to other external elements and includes a linear bearing, which may for example be designed as a very stiff cross roller bearing. The linear bearing guides the movable slide 22 moving along the axis 23 can move back and forth. The operating principle of the piezoelectric actuator itself can for example be based on an inertial drive, preferably on a stick-slip drive, such as in the WO 2008/052785 A1 described. This allows the moving carriage 22 be incrementally moved in nanometer scale, about 50 nanometers step. In addition, the piezoelectric actuator includes a linear position measuring system 60 , which is preferably designed as an optical incremental encoder with at least microns resolution and ideally directly between the static housing 21 and the mobile carriage 22 sits and the linear motion between the static housing 21 and the mobile carriage 22 detected. The linear position measuring system 60 can be embodied as a sine-cosine encoder, for example. Such a piezoelectric actuator in the form of a linear positioning unit is commercially available, for example, from the company SmarAct GmbH, for example with a length of 50 millimeters at 31 millimeters travel with a weight of only 32 grams and a force of up to 5 Newton. An alternative to the above-described types of piezo actuators based on an inertial drive or a stick-slip drive is the manipulator according to the invention 10 Also represented by piezoelectric actuators, each consisting of a series of piezoelectric bimorph legs, as described for example by the company Dr. med. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG.

In 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Manipulators 10 mit zusätzlichem manuell bewegbaren Schubgelenk 70 an der Basis des Manipulators 10 abgebildet. Das manuell bewegbare Schubgelenk 70 besteht aus einer statischen Schiene 72, auf welchem ein Schlittenelement 74 läuft, das über ein Arretierelement 76 arretiert werden kann. Damit kann der komplette Manipulator 10 entlang der Achse 78 verstellt werden, was insbesondere zu Zwecken der Grobpositionierung des Manipulators 10 von Vorteil ist. In einer nicht gezeigten Ausprägungsform kann das manuell bewegbare Schubgelenk 70 auch über einen kleinen Elektromotor automatisiert angetrieben werden, wobei dann vorzugsweise ein zusätzliches lineares Positionsmesssystem (vgl. 60 aus 2) zwischen der statischen Schiene 72 und dem Schlittenelement 74 verbaut werden sollte, um die Position des Schlittenelements 74 auf der statischen Schiene 72 zu detektieren. In der in 3 ausgebildeten Form befindet sich das manuell bewegbare Schubgelenk 70 in orthogonaler Anordnung gegenüber dem Manipulator 10, jedoch sind auch andere Anordnungen denkbar, beispielsweise mit Winkeln größer oder kleiner 90 Grad.In 3 is a perspective view of a manipulator 10 with additional manually movable sliding joint 70 at the base of the manipulator 10 displayed. The manually movable sliding joint 70 consists of a static rail 72 on which a carriage element 74 running, that via a locking element 76 can be locked. This allows the complete manipulator 10 along the axis 78 be adjusted, which in particular for purposes of coarse positioning of the manipulator 10 is beneficial. In a not shown embodiment, the manually movable sliding joint 70 be automatically driven by a small electric motor, in which case preferably an additional linear position measuring system (see. 60 out 2 ) between the static rail 72 and the carriage element 74 should be installed to the position of the carriage element 74 on the static rail 72 to detect. In the in 3 trained form is the manually movable sliding joint 70 in an orthogonal arrangement relative to the manipulator 10 However, other arrangements are conceivable, for example, with angles greater or less than 90 degrees.

4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Manipulators 10 nach 3 mit zusätzlicher Brille 80 und verstellbarem Gestänge 90 und 92. Dieser Aufbau ist vor allem dann vorteilhaft, wenn es sich um medizinische Anwendungen handelt, insbesondere um Augenoperationen. Mittels der Brille 80, das vom verstellbaren Gestänge 90 und 92 stabilisiert wird, ist eine feste Fixierung des Manipulators 10 auf dem Kopf eines Patienten möglich, so dass sich der Manipulator 10 nicht mehr relativ gegenüber dem Kopf des Patienten bewegen kann. Gleichzeitig wird mit diesem Aufbau der Kopf des Patienten selbst stabilisiert, d. h. in seiner Lage bzw. Position gehalten, da die Brille 80 fest auf dem Kopf des Patienten anliegt. Das manuell bewegbare Schubgelenk 70 ist hierbei auf einer Brille 80 montiert, welche einem Patienten auf den Kopf bzw. auf das Gesicht gesetzt werden kann. Die Brille 80 besitzt eine rutschfeste Auflage 82, die ein Verrutschen der Brille 80 auf dem Gesicht es Patienten vehindert. Ferner besitzt die Brille 80 an der Stelle der Nase des Patienten eine Aussparung für die Nase 84. Die Brille 80 ist demnach weitestgehend analog einer Skibrille oder Schutzbrille aufgebaut. An den beiden Seitenflächen der Brille 80 sind jeweils verstellbare Gestänge 90 und 92 angebracht, die eine Fixierung der Brille 80 auf einem externen Element, beispielsweise einem Operationstisch oder Krankenbett ermöglichen. Die verstellbaren Gestänge 90 und 92 besitzen vorzugsweise Gelenke, die per Hand verstellt und arretiert werden können. 4 shows a perspective view of a manipulator 10 to 3 with additional glasses 80 and adjustable linkage 90 and 92 , This structure is particularly advantageous when it comes to medical applications, in particular eye surgery. By means of the glasses 80 that of the adjustable linkage 90 and 92 is stabilized, is a fixed fixation of the manipulator 10 possible on the head of a patient, so that the manipulator 10 can no longer move relative to the patient's head. At the same time, the head of the patient is self-stabilized with this structure, ie held in its position or position, since the glasses 80 firmly on the patient's head. The manually movable sliding joint 70 is here on a pair of glasses 80 mounted, which can be placed on a patient's head or on the face. The glasses 80 has a non-slip pad 82 that slipping the glasses 80 on the face it veh vehids. Furthermore, owns the glasses 80 at the site of the patient's nose a recess for the nose 84 , The glasses 80 is therefore largely analogous to a ski goggles or goggles. On the two side surfaces of the glasses 80 are each adjustable linkage 90 and 92 attached, the fixation of the glasses 80 on an external element, such as an operating table or hospital bed. The adjustable linkage 90 and 92 preferably have joints that can be adjusted and locked by hand.

In 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Manipulators 10 nach 4 mit Montage auf einem Operationstisch 100 abgebildet. Dieser Aufbau ist für Applikationen innerhalb medizinischer Domänen zweckmäßig. Der Manipulator 10 sitzt auf einem manuell bewegbaren Schubgelenk 70, das über eine Brille 80 und verstellbare Gestänge 90 und 92 an einem Kopfteil 110 eines Operationstisches 100 fixiert ist. Auf dem Operationstisch 100 kann ein hier nicht dargestellter Patient liegen, dessen Kopf entsprechend auf dem Kopfteil 110 ruht.In 5 is a perspective view of a manipulator 10 to 4 with mounting on an operating table 100 displayed. This construction is appropriate for applications within medical domains. The manipulator 10 sits on a manually movable sliding joint 70 that has a pair of glasses 80 and adjustable linkage 90 and 92 on a headboard 110 a surgical table 100 is fixed. On the operating table 100 may be a patient not shown here, whose head according to the headboard 110 rests.

6 zeigt als erweiterte Ausprägungsform des erfindungsgemäßen Manipulators 10 eine perspektivische Darstellung eines Gesamtsystems für den Einsatz in medizinischer Umgebung. Die bereits in 4 und 5 beschriebenen Elemente werden innerhalb des in 6 dargestellten Gesamtsystems mit weiteren Komponenten vereint. Der Manipulator 10 wird durch einen nicht dargestellten Bediener mindestens von einer Eingabekonsolen 120, vorzugsweise von einer weiteren zweiten Eingabekonsole 130 indirekt gesteuert. Die Eingabekonsolen 120 und 130 sind dabei als haptische Eingabekonsolen zu verstehen, wie sie im Stand der Technik beispielsweise von der Firma Sensable aus Willmington, Massachusetts, USA, vertrieben werden. Zudem besteht die Möglichkeit, diese Eingabekonsolen 120 und 130 mit force feedback Technologie auszustatten, so dass die Steuerelemente dieser Eingabekonsolen nicht nur passiv bewegt werden können, sondern aktiv bewegt werden von einer Steuerung. Daneben ist es von Vorteil, wenn der Gesamtaufbau weiterhin ein nicht in 6 dargestelltes Mikroskop umfasst, welches dem Bediener während der Arbeit mit dem Manipulator 10 steht Rückmeldung über die Position des am Manipulator 10 befindlichen Werkzeugs bzw. über den Zustand des zu manipulierenden Arbeitsraums gibt. Hierbei bieten die kompakten Abmessungen des Manipulators 10 besondere Vorzüge, da anderweitig die Sicht durch das Mikroskop teilweise durch den Manipulator 10 selbst beeinträchtigt werden könnte, d. h. dass das vom Mikroskop resultierende Bild von einem Manipulator (10) mit zu großem Bauvolumen verdeckt werden könnte. Der Manipulator 10 ist direkt mit einer Verstärkereinheit 140 verbunden, welche die Piezoaktoren des Manipulators 10 leistungstechnisch versorgt bzw. die Positionssensoren dieser Piezoaktoren signaltechnisch auswertet. Die Verstärkereinheit 140 ist selbst mit einem Mikrokontroller 150 verbunden, welcher die Regelung des Manipulators 10 bzw. seiner Piezoaktoren auf unterster Ebene durchführt. Der Mikrokontroller 150 ist ferner an eine übergeordneten Steuereinheit 160 angeschlossen, welche eine Regelung auf oberer Ebene übernimmt. Damit die Ansteuerung echtzeitfähig ist, müssen alle genannten Komponenten entsprechende Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit erfüllen. Die Regelung auf oberer Ebene beinhaltet die Integration der Eingabesignale der Eingabekonsolen 120 und 130 sowie die entsprechende Bahnplanung der einzelnen Piezoaktoren des Manipulators 10. Ferner kann die Steuereinheit 160 dazu verwendet werden, Steuersignale für die Eingabekonsolen 120 und 130 auszuleiten, damit diese aktiv bewegt werden im Sinne einer force feedback Ansteuerung. Hierzu ist es insbesondere von Vorteil, wenn der Manipulator 10 nahe seiner Aufnahmevorrichtung 50 für ein Werkzeug bzw. am Piezoaktor des einzelnen Schubgelenks 40 ein Kraftsensor verbaut ist. 6 shows as an extended form of expression of the manipulator according to the invention 10 a perspective view of an overall system for use in medical environment. The already in 4 and 5 described elements are within the in 6 united overall system with other components. The manipulator 10 is by an operator, not shown at least from an input console 120 , preferably from another second input console 130 indirectly controlled. The input consoles 120 and 130 are understood as haptic input consoles, as they are sold in the prior art, for example, by the company Sensable of Willmington, Massachusetts, USA. There is also the option of these input panels 120 and 130 equipped with force feedback technology, so that the controls of these input consoles can not only be moved passively, but are actively moved by a controller. In addition, it is advantageous if the overall structure continues to be a not in 6 illustrated microscope, which the operator while working with the manipulator 10 there is feedback about the position of the manipulator 10 located tool or on the state of the workspace to be manipulated. Here offer the compact dimensions of the manipulator 10 special advantages, since otherwise the view through the microscope partly through the manipulator 10 itself, ie the image resulting from the microscope could be detected by a manipulator ( 10 ) could be covered with too large volume of construction. The manipulator 10 is directly with an amplifier unit 140 connected, which are the piezo actuators of the manipulator 10 supplied power or the position sensors of these piezoelectric actuators evaluates signal technology. The amplifier unit 140 is self with a microcontroller 150 connected, which controls the manipulator 10 or its piezo actuators at the lowest level. The microcontroller 150 is also to a higher-level control unit 160 connected, which assumes a regulation at the upper level. For the control to be real-time capable, all of the components mentioned must fulfill corresponding requirements for real-time capability. The upper-level control involves the integration of the input signals of the input consoles 120 and 130 as well as the corresponding path planning of the individual piezo actuators of the manipulator 10 , Furthermore, the control unit 160 used to control signals for the input consoles 120 and 130 to be actively moved in the sense of a force feedback control. For this purpose, it is particularly advantageous if the manipulator 10 near his cradle 50 for a tool or on the piezoelectric actuator of the individual sliding joint 40 a force sensor is installed.

In einem weiteren nicht innerhalb einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiel sind anstelle von Piezoaktoren wesentlich größere elektrische Stellzylinder, vorzugsweise Elektromotoren mit Spindeltrieben, für sämtliche Schubgelenke des Manipulators vorgesehen, die jeweils eine Stellbewegung im Bereich von etwa 1 m ermöglichen. Auf diese Weise ergibt sich ein in kinematischer Hinsicht identischer zu dem beispielhaft in 1 gezeigten Manipulator mit einem erheblich größerem Arbeitsraum. Hinsichtlich der erreichbaren Präzision sind jedoch Stellbewegungen im Nanometer-Bereich mit einer solch makroskopischen Ausdehnung des Manipulators nicht mehr möglich, vielmehr liegt die Genauigkeit dann im Bereich von 10 Mikrometern oder mehr.In another embodiment, not shown in a figure, much larger electric actuating cylinders, preferably electric motors with spindle drives, are provided for all thrust joints of the manipulator instead of piezoelectric actuators, each allowing an adjusting movement in the range of about 1 m. In this way, results in a kinematic identical to the exemplary in 1 shown manipulator with a much larger workspace. However, with regard to the achievable precision positioning movements in the nanometer range with such a macroscopic extent of the manipulator are no longer possible, but the accuracy is then in the range of 10 micrometers or more.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ohne eigene Figur stellt ein Manipulator dar, bei welchem die Schubgelenke über geeignete Übertragungsmittel, wahlweise über Seile, Gelenkwellen oder Stabverbindungen von gegenüber den Gelenken des Manipulators abgesetzten elektrischen Antrieben bewegt werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Manipulator selbst ohne die eigentlichen Antriebe auskommt und daher kompakter gebaut werden kann. Allerdings wird durch die Mehrzahl an Komponenten zur Übertragung der Bewegungen eine geringere Präzision des Manipulators in Kauf genommen. Die elektrischen Antriebe können entweder an einer Basis des Manipulators fixiert werden oder in etwas weiterer Entfernung auf einer eigenen Haltevorrichtung montiert sein. Die Schubgelenke selbst müssen dafür jeweils eine entsprechende mechanische Schnittstelle aufweisen, welche die Bewegungen des abgesetzten Aktors jeweils auf den linear beweglichen Teil des Schubgelenks übertragen. Beispielsweise kann eine lineare Stellbewegung eines Seils in eine Rotationsbewegung einer Spindel übertragen werden, welche wiederum einer Spindelmutter innerhalb des Schubgelenks eine translatorische Bewegung aufprägt.A further embodiment without a separate figure represents a manipulator in which the sliding joints are moved by suitable transmission means, optionally via ropes, propeller shafts or rod connections of remote from the joints of the manipulator electrical drives. This arrangement has the advantage that the manipulator manages itself without the actual drives and therefore can be made more compact. However, due to the plurality of components for transmitting the movements, a lower precision of the manipulator is accepted. The electric drives can either be fixed to a base of the manipulator or mounted at a further distance on its own holding device. The sliding joints themselves must each have a corresponding mechanical interface which transmit the movements of the remote actuator respectively to the linearly movable part of the sliding joint. For example, a linear adjusting movement of a rope can be transferred into a rotational movement of a spindle, which in turn imparts a translatory movement to a spindle nut within the sliding joint.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2009/140688 A2 [0005]
WO 2009/097539 A2 [0006]
WO 2010/127109 A1 [0007]
WO 2008/052785 A1 [0025]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

"Design of a Serial-Parallel Robot with Piezo Actuators for Micro and Nano Manipulations" (by D. Chakarov, K. Kostadinov et al, Institute of Mechanics, Sofia, Bulgaria, Proceedings of the International Conference on New Actuators and Drive Systems) ACTUATOR 10 ", Bremen, Germany, 14-16 June 2010, ISBN 978-3-933339-13-3, pp. 1058-1062, (2010)) [0009]
"Synthesis of tense piezo, structures for local micro- and nanomanipulations" (by D. Chakarov, M. Abed Al-Wahab, R. Kasper and K. Kostadinov, published in the Proceedings of the "8th Magdeburger Maschinenbau-Tage", October 10-11, 2007, Magdeburg, pp. 173-180) [0009]

Claims

Manipulator ( 10 ) with serial and parallel kinematics driven by electrical actuators, characterized in that for the kinematics of the manipulator ( 10 ) at least two pairs of push joints ( 20 . 30 ), whereby these are serially connected one after the other both rotationally and translationally movably and aligned in at least two different directions, as well as the individual pairs themselves being in parallel alignment with each other and connected to the last pair of sliding joints ( 30 ) another single sliding joint ( 40 ) is rotationally and translationally connected and this single shear joint ( 40 ) is aligned in another direction.

Manipulator ( 10 ) according to claim 1, characterized in that a movement about a freely definable remote center of motion is possible.

Manipulator ( 10 ) according to claim 2, characterized in that are used as electrical actuators piezoelectric actuators.

Manipulator ( 10 ) according to claim 3, characterized in that piezo actuators based on inertial drive devices are used.

Manipulator ( 10 ) according to claim 4, characterized in that stick-slip drives are used.

Manipulator ( 10 ) according to claim 3, characterized in that piezoactuators, each consisting of a series of piezoelectric bimorph legs, are used.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the serially connected pairs of thrust joints ( 20 . 30 ) as well as the last single shear joint ( 40 ) in each orthogonal arrangement to each other.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the manipulator ( 10 ) exactly two pairs of push joints ( 20 . 30 ), wherein the second pair of push joints ( 30 ) another single sliding joint ( 40 ) is connected with piezoelectric actuator and thus the manipulator ( 10 ) has a total of five controllable with piezoelectric actuators degrees of freedom.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at the base of the manipulator ( 10 ) additionally a manually movable sliding joint ( 70 ) for the coarse positioning of the manipulator ( 10 ) is located.

Manipulator ( 10 ) according to claim 9, characterized in that the manually movable sliding joint ( 70 ) in an orthogonal arrangement with respect to the attached joints of the manipulator ( 10 ) is connected.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the last further individual sliding joint ( 40 ) An additional coaxial rotary joint in the form of a rotary piezoelectric actuator is connected and thus has an additional controllable via this piezoelectric actuator degree of freedom.

Manipulator ( 10 ) according to claim 11, characterized in that the manipulator ( 10 ) exactly two pairs of push joints ( 20 . 30 ), wherein the second pair of push joints ( 30 ) another single sliding joint ( 40 ) is connected and on the latter in turn an additional coaxial rotary joint is arranged and thus the manipulator ( 10 ) has a total of six controllable with piezo actuators degrees of freedom.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that each sliding joint of the manipulator ( 10 ) via a linear position measuring system ( 60 ).

Manipulator ( 10 ) according to claim 13, characterized in that the linear Positionmesssytem ( 60 ) consists of an optical encoder with a resolution at least in the micrometer range.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that either the last further single shear joint ( 40 ) or the additional coaxial swivel of the manipulator ( 10 ) further has a force sensor and the force sensor is aligned coaxially to this joint.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the base of the manipulator ( 10 ) on a pair of glasses ( 80 ) and the glasses ( 80 ) can be fixed on the head of a person.

Manipulator ( 10 ) according to claim 16, characterized in that the spectacles ( 80 ) of an adjustable linkage ( 90 . 92 ) is held.

Manipulator ( 10 ) according to claim 17, characterized in that the base of the adjustable linkage ( 90 . 92 ) on a headboard ( 110 ) of a surgical table ( 100 ) is fixed.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the Manipulator ( 10 ) for surgical purposes in medicine, especially in ophthalmology.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the manipulator ( 10 ) has an additional sterilizable shell.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the last joint of the manipulator ( 10 ) a receiving device ( 50 ) for fixing a tool, preferably an ophthalmologic surgical instrument.

Manipulator ( 10 ) according to claim 21, characterized in that the receiving device ( 50 ) has a quick release, so that mounted tools, in particular ophthalmological surgical instruments, can be changed within a very short time.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the manipulator ( 10 ) is used for operative purposes in vitreoretinal ophthalmology.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the manipulator ( 10 ) is used for microinjection.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a real-time capable controller controls the manipulator ( 10 ), which via a control unit ( 160 ), a microcontroller ( 150 ), an amplifier unit ( 140 ) and at least one input console ( 120 ) is realized.

Manipulator ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding joints ( 20 . 30 . 40 ) are driven by electric drives, which opposite the push joints ( 20 . 30 . 40 ) of the manipulator ( 10 ) offset positions, wherein the transmission of the movement of the offset-positioned electric drives to the push joints ( 20 . 30 . 40 ) takes place via suitable transmission means, preferably cardan shafts.