DE10304736B3

DE10304736B3 - Arrangement for moving a rod or tube within a virtual reality simulator for minimally invasive surgery has a mounting frame assembly and a simulator assembly with a rod or tube that is moved in a simulation manner

Info

Publication number: DE10304736B3
Application number: DE2003104736
Authority: DE
Inventors: Heinrich Klossek; Heiko Dr. Maass; Uwe Dr. Kühnapfel; Benjamin Chantier
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-02-07

Abstract

Es wird eine Einrichtung für die Bewegung eines Stabes/Rohres innerhalb eines/r konstruktiv vorgegebenen Doppelkegel/-Doppelpyramide vorgestellt. Der Stab hat vier Freiheitsgrade der Bewegung, nämlich zwei Schwenkebenen, eine axiale Bewegung und Drehen um die Achse. Motorantriebe treiben oder hemmen die jeweilige Bewegung mit einstellbarem Moment. Der Rahmen für die Antriebe ist in eine Fläche eingebaut, die mindestens drei Ankerpunkte hat, an diesen setzt je eine ausziehbare Gelenkwelle über federelastische Mittel an, die mit ihrem anderen Ende ortsfest und starr verankert ist. Dadurch kann die Fläche über diese Gelenkwellen entweder in eine beliebige Richtung ausgestellt oder einer solchen von außen aufgedrängten Ausstellung entgegengewirkt werden.A device for the movement of a rod / tube within a constructively predetermined double cone / double pyramid is presented. The rod has four degrees of freedom of movement, namely two swivel planes, an axial movement and rotation about the axis. Motor drives drive or inhibit the respective movement with an adjustable torque. The frame for the drives is built into a surface that has at least three anchor points, each with an extendable cardan shaft via spring-elastic means, which is fixed at its other end and rigidly anchored. As a result, the surface can either be exhibited in any direction via these cardan shafts or counteracted such an exhibition imposed from the outside.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Bewegung eines Stabes/Rohres innerhalb eines/r durch die Konstruktion der Einrichtung vorgegebenen Doppelkegels/-Doppelpyramide unter Wahrung einer unbeweglichen Stelle, dem Invarianten Punkt, auf der Stab-/Rohrachse gemäß Oberbegrift des Anspruch 1. Eine der artige Einrichtung ist aus der DE 100 55 294 C2 bekannt. Die Einrichtung ist mit Kraftrückkopplung ausgerüstet und ist für das Üben von Bewegungs- und Handhabungsabläufen vorgesehen.The invention relates to a device for the movement of a rod / tube within a / r predetermined by the construction of the device double cone / double pyramid while maintaining an immobile position, the invariant point, on the rod / tube axis according to the preamble of claim 1. One of the like facility is from the DE 100 55 294 C2 known. The device is equipped with force feedback and is intended for practicing movement and handling processes.

In Virtual-Reality-Simulatoren, VRS, für die minimalinvasive Chirurgie, MIC, werden Ein-, Ausgabegeräte gebraucht, die einerseits die gängigen endoskopischen Instrumente und das Operationsumfeld nachahmen, gleichzeitig aber in der Lage sind, präzise Positionsdaten für das Simulationsprogramm bereitzustellen und dem Übenden über Kraftrückkopplungssysteme den Tastsinn und das Fühlen von Kräften und Bewegungen zu vermitteln – auch als taktiles Handhaben bezeichnet.In virtual reality simulators, VRS, for the minimally invasive Surgery, MIC, input and output devices are needed, on the one hand the usual Imitate endoscopic instruments and the operating environment, simultaneously but are able to be precise Position data for to provide the simulation program and the sense of touch for the practitioner via force feedback systems and feeling of forces and convey movements - too referred to as tactile handling.

Es gibt auf dem Markt Haptik-IO-Systeme von der US-Firma „Immersion", die mit Force-Feedback arbeiten und speziell für MIC-Simulationssysteme entwickelt worden sind. Aufgrund der Marktführerschaft dieser Firma stellen ihre Geräte den aktuellen Stand der Technik dar. Das System wird unter dem Namen „Laparoscopic Impuls Engine" vertrieben und ist beispielsweise in der US 5,459,382 beschrieben. In einem Simulator werden zwei bis drei Ein-, Ausgabegeräte benötigt. Diese Geräte sind teuer und technisch kompliziert. So wird der Antriebsmotor für die Y-Achse, Masse etwa 130 gr, mit dem Instrument immer mitbewegt. Dadurch belastet die Trägheit merklich das Wahrnehmungsempfinden. Der Motor ist seitlich befestigt, deshalb treibt dies Befestigung das Instrument bevorzugt in die Seitenlage. Die zahlreiche Kabel zwischen dem Motor und der Box mit der Leistungelektronik behindern das freie Bewegen des Instrumentsschafts und erzeugen Ziehkräfte, welche die Realitätswahrnehmung belasten.There are haptic IO systems on the market from the US company "Immersion" that work with force feedback and have been specially developed for MIC simulation systems. Due to the market leadership of this company, their devices represent the current state of the art. The system is sold under the name "Laparoscopic Impuls Engine" and is for example in the US 5,459,382 described. Two to three input and output devices are required in a simulator. These devices are expensive and technically complicated. The drive motor for the Y-axis, mass about 130 gr, is always moved with the instrument. As a result, the indolence noticeably burdens the perception. The motor is attached to the side, so this attachment preferably drives the instrument to the side. The numerous cables between the motor and the box with the power electronics hinder the free movement of the instrument shaft and generate pulling forces that strain the perception of reality.

Ein Schnittstellengerät mit einer riemengetriebenen Kraftrückkopplung und vier verankerten Aktuatoren wird in der WO 03/009096 A1 beschrieben. Diese Einrichtung vermittelt realistische Eindrücke durch taktile Rückkopplung an den Handhaber. Die Einrichtung schließt ein Übungsinstrument und einen mechanischen Simulationsapparat ein, der an das Übungsinstrument gekoppelt ist. Eine Schnittstelleneinrichtung ist an den Simulationsapparat und ein Rechner an die Schnittstelleneinrichtung gekoppelt, um ein Anwendungsprogramm für die Riemenbewegung einzurichten.An interface device with a belt-driven force feedback and four anchored actuators is described in WO 03/009096 A1. This facility provides realistic impressions through tactile feedback to the handler. The facility includes an exercise instrument and a mechanical one Simulator, which is coupled to the exercise instrument. An interface device is connected to the simulation apparatus and Computer coupled to the interface device to an application program for the Belt movement.

In der US 2002/0033802 A1 wird eine physisch realistische Computersimulation medizinischer Abläufe vorgestellt. Eine Einrichtung, mit der die Bewegung eines Schafts mit einem Rechner wechselwirkt, besteht aus einem Träger, einem Kardangelenk mit zwei Freiheitsgraden und drei elektromechanischen Übertragern. Ein Schaft mit einem Kardangelenk erlaubt eine Bewegung mit drei Freiheitsgraden in einem Kugelkoordinatensystem. Die drei Freiheitsgrade werden je mit einem der Übertrager erfaßt. Mit einem vierten Übertrager kann die Drehung des Schaftes um seine Längsachse detektiert werden. Die Bedienung läßt rückgekoppelt die Schritte der Festlegung eines Punktes im dreidimensionalen Raum und die Bewegung des Schafts stets durch einen Invarianten Punkt zu.In the US 2002/0033802 A1 a physically realistic computer simulation of medical processes is presented. A device with which the movement of a shaft interacts with a computer consists of a carrier, a universal joint with two degrees of freedom and three electromechanical transmitters. A shaft with a universal joint allows movement with three degrees of freedom in a spherical coordinate system. The three degrees of freedom are recorded with one of the transmitters. The rotation of the shaft about its longitudinal axis can be detected with a fourth transmitter. The operation allows the steps of determining a point in three-dimensional space and the movement of the shaft always through an invariant point.

In der US 6 437 771 B1 wird ein Verfahren und ein Gerät für die Vermittlung von Kraftempfindungen in virtuellen Umgebungen vorgestellt. Das Gerät hat eine Mensch-Rechner-Schnittstelle, die einen Gefühlseindruck an Nutzer der Einrichtung vermitteln können. Eine manipulierbare Bedieneinrichtung ist über ein Kardangelenk in mehreren Freiheitsgraden beweglich. Ein vom Rechner getrennter Mikroprozessor vor Ort ermöglicht Wechselwirkung mit dem Rechner. Aktuatoren erzeugen Gefühlseindrücke, indem sie den Handhabenden eine Kraft fühlen lassen als Antwort auf die Aktuatoren-Signale. Sensoren detektieren die Bewegung und richten Sensorsignale an den Mikroprozessor vor Ort. Die Gefühlsempfindung vermittelt eine Ausführung, welche die gedämpfte Empfindung erzeugt, die das Gefühl der Bewegung in einer Flüssigkeit nachahmt. In einer andern Ausführung ist das Gefühl eine Wandempfindung, die den Eindruck des Stoßes an einer Fläche oder einer Sperre simuliert.In the US 6 437 771 B1 a method and a device for conveying force sensations in virtual environments is presented. The device has a human-computer interface, which can convey a feeling to users of the facility. A manipulable operating device can be moved in several degrees of freedom via a universal joint. An on-site microprocessor separate from the computer enables interaction with the computer. Actuators create emotional impressions by letting the operator feel a force in response to the actuator signals. Sensors detect the movement and direct sensor signals to the microprocessor on site. The feeling sensation conveys an execution that creates the subdued sensation that mimics the feeling of movement in a liquid. In another version, the feeling is a wall sensation that simulates the impression of the impact on a surface or a barrier.

In der DE 100 55 294 C2 wird eine Simulationsvorrichtung mit zumindest zwei Bewegungsfreiheitsgraden vorgestellt. Das simulierte Instrument weist einen länglichen Schaft auf und hat eine Halteeinrichtung. Die Halteeinrichtung ist so ausgebildet, dass das Instrument zumindest einen ersten Freiheitsgrad einer Drehbewegung um die Längsachse des Schafts und zumindest einen zweiten Freiheitsgrad einer translatorischen Bewegung in Richtung des Schaftes besitzt. Die Halteeinrichtung hat eine Getriebeanordnung für den ersten und zweiten Freiheitsgrad, die ein mit dem Schaft in Verbindung stehendes erstes Kegelrad und ein zweites und ein drittes Kegelrad aufweist. Die Kegelräder stehen miteiander wälzend im Eingriff. Das erste Kegelrad läuft mit dem Schaft um dessen Längsachse um. Das zweite und dritte Kegelrad sind beidseits des ersten Kegelrads konzentrisch zum Schaft angeordnet und stehen mit dem ersten Kegelrad wälzend im Eingriff. Neben diesen Freiheitsgraden der Bewegung sind Motorantriebe zum Bedienen der Freiheitsgrade vorhanden. Die Motorantriebe sind in einem Schwenkrahmen aufgehängt, durch den der Schaft ragt. Eine dem Schaft von außen aufgezwungene Bewegung wird über diese Motorantriebe mit vorgegebenem Moment gehemmt. Dadurch besteht eine Kraftrückwirkung/-kopplung.In the DE 100 55 294 C2 a simulation device with at least two degrees of freedom of movement is presented. The simulated instrument has an elongated shaft and has a holding device. The holding device is designed such that the instrument has at least a first degree of freedom of a rotary movement about the longitudinal axis of the shaft and at least a second degree of freedom of a translatory movement in the direction of the shaft. The holding device has a gear arrangement for the first and second degrees of freedom, which has a first bevel gear connected to the shaft and a second and a third bevel gear. The bevel gears are in rolling engagement with each other. The first bevel gear rotates with the shaft around its longitudinal axis. The second and third bevel gears are arranged on both sides of the first bevel gear concentrically to the shaft and are in rolling engagement with the first bevel gear. In addition to these degrees of freedom of movement, there are motor drives for operating the degrees of freedom. The motor drives are suspended in a swivel frame through which the shaft protrudes. A movement imposed on the shaft from the outside is predetermined with these motor drives Moment inhibited. This creates a force feedback / coupling.

Unter realen Operationsbedingungen befindet sich der Drehpunkt für das Instrument, der Invariante Punkt, im Trokar direkt in oder unmittelbar an der aufgeblasenen Bauchdecke. Im Simulator dagegen befindet sich dieser Drehpunkt konstruktionsbedingt tief unter der virtuellen Bauchdecke. Das vermittelt dem Übenden ein falsches Feeling, das eigentlich nicht antrainiert werden sollte.Under real operating conditions is the fulcrum for the instrument, the invariant point, in the trocar directly in or immediately on the inflated abdominal wall. In the simulator, however, is this fulcrum, due to the design, deep below the virtual one Abdominal wall. That conveys to the practitioner a wrong feeling that shouldn't be trained.

Vom Stande der Technik her liegt somit eine Einrichtung für die Bewegung eines Stabes/Rohres innerhalb eines/r durch die Konstruktion vorgegebenen Doppelkegels/-Doppelpyramide unter Wahrung einer unbeweglichen Stelle, dem Invarianten Punkt, auf der Stab/Rohrachse vor. Dabei hat der/das Stab/Rohr hat vier Freiheitsgrade der Bewegung, nämlich:
Schwenken der Stab-/Rohrachse in zwei zueinander nichtparallelen Ebenen, wobei der Invariante Punkt auf der Schnittgeraden der beiden Ebenen liegt;
axiales Bewegen des Stabes/Rohres und Drehen des Stabes/Rohres um sein Achse.From the state of the art there is therefore a device for the movement of a rod / tube within a double cone / double pyramid predetermined by the construction while maintaining an immovable point, the invariante point, on the rod / tube axis. The rod / tube has four degrees of freedom of movement, namely:
Swiveling the rod / tube axis in two planes not parallel to each other, the invariant point lying on the intersection line of the two planes;
axially moving the rod / tube and rotating the rod / tube about its axis.

Zum Bedienen der Freiheitsgrade sind Motorantriebe vorhanden. Diese sind in einem Rahmen aufgehängt, durch den der/das Stab/Rohr ragt. Der/das Stab/Rohr wird dabei entweder über diese Motorantriebe mit vorgegebenem Moment bewegt oder eine dem Stab/Rohr von außen aufgezwungene Bewegung wird über diese Motorantriebe mit vorgegebenem Moment, gehemmt.To operate the degrees of freedom Motor drives available. These are hung in a frame by which the rod / tube protrudes. The rod / tube is either driven by these motors moved with a given moment or a movement imposed on the rod / tube from the outside is about these motor drives with a given torque, inhibited.

Unter realen Operationsbedingungen bewegt sich die aufgeblähte Bauchdecke mit, wenn das Instrument bewegt wird. Diese Bewegungen kann das Gerät nicht simulieren.Under real operating conditions moves the bloated Abdominal wall when the instrument is moved. These movements can the device do not simulate.

Aus diesen mit der Realität nicht übereinstimmenden Eigenschaften ergab sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich einen solchen Virtual-Reality-Simulator bereit zu stellen, mit dem die tatsächlichen Operationsbewegungen getreu simuliert und damit, der Wirklichkeit nahekommend, trainiert werden können.Out of those that do not match reality Properties emerged from the task underlying the invention lies, namely to provide such a virtual reality simulator with which the actual Operation movements faithfully simulated and thus, reality approaching, can be trained.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Rahmen ist hierzu in eine Fläche eingebaut, die mindestens drei Ankerpunkte hat. An diesen Ankerpunkten setzt je eine über einen Linearantrieb ausziehbare Gelenkwelle über federelastische Mittel an, die mit ihrem andern Ende ortsfest und starr verankert ist. Durch diese Maßnahme kann die Fläche über diese Gelenkwellen entweder in eine beliebige Richtung ausgestellt oder einer solchen von außen aufgedrängten Ausstellung entgegengewirkt werden.The task is characterized by the Features of claim 1 solved. For this purpose, the frame is in one surface installed, which has at least three anchor points. At these anchor points puts one over each a linear drive extendable cardan shaft via spring-elastic means which is fixed and rigidly anchored at its other end. By this measure can the area over this Cardan shafts either issued in any direction or such from the outside counteracted crowded exhibition become.

Mit dem prinzipiellen Aufbau dieser Einrichtungen kann das durch den Durchbruch der Trägerplatte ragende Rohr positionsbestimmt gehalten und geführt werden. Genauer: eine von außen auf das Rohr einwirkende Führung kann über einstellbare Motormomente gehemmt und damit taktiles Führen simuliert werden, oder das Rohr wird über die Motorantriebe bewegt, das wäre dann die Roboterfunktion.With the basic structure of this This can be done by opening the carrier plate protruding pipe are held and guided in a position-specific manner. More precisely: one of Outside guide acting on the pipe can about adjustable motor torques inhibited and thus simulating tactile guiding or the pipe will be over the motor drives are moving, that would be then the robot function.

In den jeweils auf den Anspruch 1 bezogenen Unteransprüchen 2 bis 4 werden verschieden Realisierungen zur motorgehemmten oder motorgetriebenen Bewegung des Rohres beschrieben:
In Anspruch 2 ist beschrieben, dass der Rahmen ein Kreisring ist, dessen innere Mantelfläche eine Kugelsegmentfläche ist, in der eine Kugel formschlüssig gleitet, durch die hindurch der/das Stab/Rohr polar ragt. Drei Kugel- oder Walzenantriebe sitzen auf der Fläche oder der Stirnseite des Rahmens und drücken an die Kugel an. Die Achsen der drei Antriebe liegen in einer Ebene durch die Kugel und bilden ein gleichseitiges Dreieck. Mit einem solchen Aufbau kann das Rohr schon in jede Richtung des Bewegungsdoppelkegels oder der -pyramide geschwenkt werden. Für die Drehung des Rohres sitzt im Innern der Kugel ein Rotorantrieb und für die axiale Bewegung des Rohres ist darin ein Linearantrieb verankert.In the respective subclaims 2 to 4, which relate to claim 1, different implementations for motor-inhibited or motor-driven movement of the pipe are described:
In claim 2 it is described that the frame is a circular ring, the inner circumferential surface of which is a spherical segment surface in which a ball slides in a form-fitting manner, through which the rod / tube projects polarly. Three ball or roller drives sit on the surface or the front of the frame and press against the ball. The axes of the three drives lie in one plane through the ball and form an equilateral triangle. With such a structure, the tube can already be pivoted in any direction of the double movement cone or pyramid. A rotor drive sits inside the ball for the rotation of the tube and a linear drive is anchored in it for the axial movement of the tube.

Anspruch 3 beschreibt, dass in die innere kreisförmige Mantelwand des Rahmens gleichverteilt um den Umfang elektrische Spulen mit je einem Polschuh eingelassen sind und die Mantelwandkontur Kugelsegmentform hat. In der Kreisebene des Rahmens sitzt ein in der inneren Mantelwand des Rahmens kugelgelagerter Ring, der an seiner äußeren Mantelfläche gleichverteilt um den Umfang Permanentmagnete in der Anzahl der nach außen gegenüberliegenden Spulen eingelassen hat. In dem Ring sitzt zentral ein Anker kugelgelagert, dessen beide Polschuhe mit je einer elektrischen Spule umwickelt sind, die mit ihrer jeweils radial nach außen gerichte ten Fläche auf einer zum Ring zentralen Kugelfläche liegen. Der Anker kann nur in einer senkrecht zur Kreisebene des Rahmens stehenden Ebene schwenken, und den beiden Polschuhen steht je ein Permanentmagnet gegenüber, die in die innere Mantelwand des Ringes unter Wahrung einer Kugelsegmentkontur eingelassen sind. Hier sitzt jetzt zentral zwischen den beiden Polschuhen des Ankers der Linearantrieb, durch den hindurch das Rohr ragt und axial gehemmt/bewegt wird.Claim 3 describes that in the inner circular Mantle wall of the frame evenly distributed around the circumference electrical Coils with one pole shoe each are embedded and the outer wall contour is spherical segment shape Has. In the circular plane of the frame sits in the inner wall of the frame ball-bearing ring, which is evenly distributed on its outer surface around the circumference of permanent magnets in the number of the opposite to the outside Has inserted coils. An anchor sits in the center of the ring with ball bearings, whose two pole pieces are wrapped with an electrical coil, with their radially outward facing surface a spherical surface central to the ring. The anchor can only be in a perpendicular to the circular plane of the frame swivel level, and the two pole pieces each have a permanent magnet across from, into the inner wall of the ring while maintaining a spherical segment contour are let in. Here sits between the two pole pieces of the armature is the linear drive through which the tube protrudes and axially is inhibited / moved.

Gemäß Anspruch 4 wird das Rohr über folgende Einrichtung gehemmt/bewegt:
Im Rahmen lagert ein äußerer Schwenkrahmen, der mit seiner Ebene aus der Ebene des Rahmens geschwenkt werden kann, und die Schwenk-/Drehachse geht durch das Zentrum dieses Schwenkrahmens und des Rahmens. Ii dem Schwenkrahmen sitzt ein Scheibenmotor oder sitzen zwei Scheibenmotoren, dessen oder deren Achse auf der Schwenkachse liegt oder liegen und form- als auch kraftschlüssig in den Rahmen ragt oder ragen. Bei nur einem Motor sitzt anstelle des zweiten Motors eine koaxial drehbare Welle. Im äußeren Schwenkrahmen sitzt ein weiterer Scheibenmotor oder sitzen zwei weitere Scheibenmotoren, dessen Achse oder deren Achsen in das Innere des Schwenkrahmens ragt oder ragen. Sie liegen auf einer Geraden, welche die Schwenkachse des ersten senkrecht schneidet und ebenfalls in der Kreisebene des Rahmens liegt. Mindestens die Achse des einen Scheibenmotors mit ins Innere des äußeren Schwenkrahmen ragender Achse steckt in dem inneren Schwenkrahmen form und kraftschlüssig, durch den hindurch das Rohr, axial geführt, ragt. Im Falle zweier Scheibenmotoren mit ins Innere des äußeren Schwenkrahmens ragenden Achsen steckt entweder die Achse des zweiten ebenfalls koaxial im inneren Schwenkrahmen form und kraftschlüssig oder der zweite Scheibenmotor dient als Axialbeweger für das Rohr, indem ein/e am Rohr verankerte/s Seil/Kette über die Motorwelle umläuft. Im oder am Schwenkrahmen sitzt ein Rotorantrieb, der das Rohr dreht. Falls kein Scheibenmotor als Axialbeweger verwendet wird, sitzt dafür im oder am inneren Schwenkrahmen ein Linearantrieb.According to claim 4, the pipe is inhibited / moved via the following device:
An outer swivel frame, which can be swiveled with its plane out of the plane of the frame, is stored in the frame, and the swivel / rotation axis passes through the center of this swivel frame and the frame. In the swivel frame there is a disc motor or two disc motors, the axis of which lies or lie on the swivel axis and projects or projects positively and non-positively into the frame. With only one motor there is a coaxially rotatable shaft instead of the second motor. Another disc motor sits in the outer swivel frame or two further disc motors sit, the axis or axes of which are in the inside of the swing frame protrudes or protrudes. They lie on a straight line which perpendicularly intersects the pivot axis of the first and also lies in the circular plane of the frame. At least the axis of the one disc motor with the axis projecting into the interior of the outer swivel frame is in the inner swivel frame in a positive and non-positive manner, through which the pipe, axially guided, projects. In the case of two disc motors with axles projecting into the inside of the outer swivel frame, either the axis of the second, also coaxially, is stuck in the inner swivel frame in a positive and non-positive manner, or the second disc motor serves as an axial mover for the tube by a rope / chain anchored to the tube the motor shaft rotates. A rotor drive sits in or on the swivel frame and rotates the tube. If no disc motor is used as an axial mover, there is a linear drive in or on the inner swivel frame.

Nach Anspruch 5, der sich auf die Ansprüche 2 bis 4 bezieht, ist jeder Motor mit einem Positionsgeber versehen, damit die Stellung des jeweiligen Motors erfasst wird. Beispielsweise kann zu Beginn des Betriebs die Position des distalen Endes des Rohrs aufgenommen werden oder dasselbe wird bei Verwendung ein und desselben eingespannten Rohrs einmal erfasst.According to claim 5, which relates to the Claims 2 to 4, each motor is equipped with a position sensor, so that the position of the respective motor is recorded. For example the position of the distal end of the Pipe can be included or the same will be used when using one and of the same clamped pipe.

Zur Erfassung der Lage der Fläche in welcher der Rahmen eingespannt ist, sitzt mindestens ein dreidimensional empfindlicher Neigungssensor auf dieser. Mit ihm werden Neigungssignale erzeugt, die gegebenenfalls rechnerisch in einen Bewegungsablauf des Rohres mit einbezogen werden.To record the position of the surface in which the frame is clamped, sits at least one three-dimensionally sensitive tilt sensor on this. With it, tilt signals generated, which if necessary arithmetically in a motion sequence of the pipe.

Zur Hemmung oder zum Antrieb des Rohres und Mitverfolgung seiner Position wird eine elektronische Datenverarbeitungsanlage eingesetzt, in der die Signale zur kraft-/momentvorgegebenen Bewegungshemmung oder -forcierten Bewegung verarbeitet und die motorischen Antriebe leistungsmäßig entsprechend angesteuert werden.To inhibit or drive the Rohres and tracking his position becomes an electronic one Data processing system used, in which the signals for the force / moment specified Restricted movement or forced movement processed and the motor Drives according to performance can be controlled.

Die Einrichtung hat nicht nur die gleiche Funktionalität wie das zum Stande der Technik zitierte System, VMS, es ist darüber hinaus auch von den aufgeführten Mängeln frei. Es zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus, besteht vollständig aus kommerziell erhältlichen Standardkomponenten und ist konstruktiv einfach aufgebaut. Darüber hinaus kann die Einrichtung die Bewegungen der aufgeblähten Bauchdecke simulieren und damit schon durch das Training an ihm das Realitätsgefühl entwickeln.The facility doesn't just have that same functionality like the prior art system, VMS, it is beyond also from those listed defects free. It is characterized by a simple structure, consists Completely from commercially available Standard components and is structurally simple. Furthermore, can the device simulates the movements of the inflated abdominal wall and thus develop a sense of reality through training on him.

Die Erweiterung der Simulation um die Nachbildung der elastischen Bauchdecke gestaltet die Simulation realistischer. Der einfache Aufbau geht mit einer hohen Robustheit einher und hält die Einrichtung kostengünstig. Die drei vorgestellten Realisierungen derselben sind bezüglich Aktion und Reaktion voll symmetrisch, daher kann das Gerät ohne Einschränkungen sowohl als reines Eingabegerät mit oder ohne Kraftrückkopplung als auch als Miniro boter, reines Ausgabe Gerät, benutzt werden. Die Einrichtung ist in verschiedenen Technikfeldern einsetzbar, als künstliches Gelenk, bei Roboter, Telemanipulatoren oder in der Medizin als Biopsiegerät beispielsweise. Hinsichtlich der Miniaturisierung sind die Grenzen noch nicht erreicht.The expansion of the simulation by the simulation creates the simulation of the elastic abdominal wall realistic. The simple structure is extremely robust hand in hand and holds the establishment inexpensively. The three realizations of the same presented are in relation to action and response fully symmetrical, therefore the device can be used without restrictions both as a pure input device with or without force feedback as well as a Miniro bot, pure output device. The facility can be used in various technical fields, as an artificial one Joint, in robots, telemanipulators or in medicine as a biopsy device, for example. The limits regarding miniaturization have not yet been reached.

Der ursprünglich ins Auge gefasste Verwendungszweck, nämlich das Trainieren/Simulieren der Bewegungsabläufe beim minimalinvasiven Operieren gestaltet sich lebendiger und realistischer. Schließlich sind solche Simulatoren durch ihre Robustheit und Ihren niedrigen Preis gewerblich breit verwendbar.The original intended use, namely training / simulating the movements during minimally invasive surgery is more lively and realistic. Finally are such simulators due to their robustness and low price widely used commercially.

Die Ausführungsformen werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben.The embodiments are as follows based on the drawing described.

Es zeigen:Show it:

1: das Ein-/Ausgabegerät, 1 : the input / output device,

2 das motorgetriebene/-gehemmte Kugelgelenk; 2 the motor-driven / inhibited ball joint;

3: die Elektromotoren des Kugelgelenks; 3 : the electric motors of the ball joint;

4: außerhalb des Kugelenkes sitzender Linearmotor, 4 : linear motor sitting outside the ball joint,

5: Aufbau des Kugelegelenkes mit Flachmotoren, 5 : Structure of the ball joint with flat motors,

6: ein weiterer Aufbau mit Flachmotoren, 6 : another structure with flat motors,

7: das Ein-/Ausgabegerät elektronisch vernetzt. 7 : the input / output device is electronically networked.

Das System kann aus einer oder mehreren schwebenden Platten, einem oder mehreren Ein-/Ausgabegeräten und dazu gehörigen Elektronik für die Positionsauswertung und für die Motorantriebe bestehen die alle über einen zentralen PC-System gesteuert werden.The system can be made up of one or more floating Plates, one or more input / output devices and associated electronics for position evaluation and for the motor drives are all controlled by a central PC system become.

Zur besseren Übersicht kann das Gesamtsystem in zwei Untersysteme aufgeteilt werden:
Das erste Untersystem besteht aus der Fläche/Platte 1, die an drei Punkten 8, 9, 10 auf drei Linear- Servomotoren 2, 3, 4 gestützt oder aufgehängt wird, damit ist die Fläche 1 definiert. Die bewegliche Fläche/Platte 1 hat die Aufgabe, die mehr oder we niger stark aufgeblähte Bauchdecke zu simulieren. Die Fläche/Platte 1 dient gleichzeitig als Konstruktionsplattform für das zweite Untersystem.For a better overview, the overall system can be divided into two subsystems:
The first subsystem consists of the surface / plate 1 that at three points 8th . 9 . 10 on three linear servomotors 2 . 3 . 4 is supported or hung, so that's the area 1 Are defined. The movable surface / plate 1 has the task of simulating the more or less inflated abdominal wall. The area / plate 1 also serves as a construction platform for the second subsystem.

Für die Ansteuerung der drei Servomotoren 2, 3, 4 sorgt die in der Trägerplatte I untergebrachte Antriebselektronik, die vom Simulationsrechner über ein Kommunikationskanal, z.B. RS232, USB, Bluetooth, kontrolliert wird.For controlling the three servo motors 2 . 3 . 4 ensures the drive electronics housed in the carrier plate I, which is controlled by the simulation computer via a communication channel, such as RS232, USB, Bluetooth.

Die Konstruktion der „schwebenden" Fläche 1 ist in der 1 dargestellt. Um die Fläche 1 „schweben" zu lassen, werden die drei Linearantriebe 2, 3, 4 nach dem Einschalten so angesteuert, daß die Platte 1 in eine vorgegebene Mittelposition fährt.The construction of the "floating" surface 1 is in the 1 shown. To the area 1 The three linear drives are made to "float" 2 . 3 . 4 controlled after switching on so that the plate 1 moves to a predetermined middle position.

Beim Einwirken senkrecht zu der Platte orientierter Kraftkomponenten werden die Servoantriebe 2, 3, 4 versuchen, die Platte 1 in ihrer Ursprungsposition zu halten. Über die Regelcharakteristik des Servoverstärkers 35 kann die Steifheit und das dynamischen Verhalten der Platte beeinflußt und abgestimmt werden.When force components oriented perpendicular to the plate act, the servo drives become 2 . 3 . 4 try the plate 1 in their origin hold position. About the control characteristics of the servo amplifier 35 the stiffness and the dynamic behavior of the plate can be influenced and adjusted.

Das für die Positionsregelung der Platte 1 erforderliche Rückkopplungssignal, wird mit Hilfe des mindestens einen auf der Platte 1 befestigten thermodynamischen Neigungssensors 11, 12, 13 erzeugt.That for the position control of the plate 1 required feedback signal is obtained using the at least one on the plate 1 attached thermodynamic inclination sensor 11 . 12 . 13 generated.

Das zweite Untersystem besteht aus der Nachbildung eines laparaskopischen Instruments mit dem dazu zugehörigen Stück des Operationsumfelds. Das Instrument muß sich frei von störenden Trägheits-, Zieh-, oder Reibungskräften im Raum bewegen können. Die Position der Instrumentenspitze 19 muß jederzeit bekannt sein, um den Simulationsrechner 33 mit den Positionsdaten zu versorgen. Die wichtigste Aufgabe, der hier beschriebene Konstruktion ist, dem Übenden den Tastsinn und das Fühlen von Kräften aus dem virtuellen Operationsumfeld bidirektional zu vermitteln.The second subsystem consists of the replica of a laparascopic instrument with the associated piece of the operating environment. The instrument must be able to move freely in the room free from disturbing inertia, pulling or frictional forces. The position of the instrument tip 19 must be known at all times to the simulation computer 33 with the position data. The most important task, the construction described here, is to impart to the practitioner the sense of touch and the feeling of forces from the virtual operating environment bidirectionally.

Eine konstruktive Alternative ist der angepaßte Scheibenläufermo tor oder, wenn die volle Drehung nicht notwendig ist, ein konstruktiv angepaßter Schwenkantrieb. Andere Drehmomentantriebe können ebenfalls eingesetzt/verwendet werden.A constructive alternative is the adapted Disc rotor motor or, if full rotation is not necessary, a constructive one adapted rotary actuator. Other torque drives can also be used.

Im Innern des Rotors sind zwei weitere Direktservoantriebe eingebaut, ein Antrieb, der als Pendel-Motor bezeichnet wird. Er kann einen an ihm befestigten Linear- Servomotor um einen bestimmten Winkel (z.B. +/– 45°) um die Z-Achse pendeln lassen kann. Der Antrieb kann je nach Anwendungsfall symmetrisch oder asymmetrisch in dem runden Rotor befestigt werden. Der Läufer des Linearservomotors 21 spielt hier die Rolle des Schaftes 18 des laparoskopischen Instrumentes.Two further direct servo drives are installed inside the rotor, a drive that is referred to as a pendulum motor. He can have a linear servo motor attached to it swinging around the Z axis by a certain angle (eg +/- 45 °). Depending on the application, the drive can be fixed symmetrically or asymmetrically in the round rotor. The linear servo motor rotor 21 plays the role of the shaft here 18 of the laparoscopic instrument.

Der Pendel-Antrieb kann z. B. ein normaler bürstenloser Servomotor sein, dessen Rotor am Ringläufer befestigt ist. Alternativ kommt ein angepaßter Schwenkantrieb in Frage.The pendulum drive can, for. B. a normal brushless Servo motor, whose rotor is attached to the ring traveler. alternative comes a customized one Swivel drive in question.

Obwohl sich die beiden Drehantriebe immer nur um ihre Achse drehen können und der Linearantrieb 21 den Stab/das Rohr 18 nur in seiner Längsachse bewegen kann, besteht hier eine Einrichtung, die eine kontrollierte Bewegung des Läufers des Linearantriebes 21 in einem dreidimensionalen Raum der Form eines sphärischen Kegels zulässt. Die Größe des Raumes wird durch Länge des Läufers und den Pendel-Winkel bestimmt.Although the two rotary drives can only ever turn around their axis and the linear drive 21 the rod / tube 18 can only move in its longitudinal axis, there is a device here that controls the movement of the rotor of the linear drive 21 in a three-dimensional space in the form of a spherical cone. The size of the room is determined by the length of the runner and the pendulum angle.

Die Ausführung ist ein kompaktes und einfaches Gebilde mit gleicher Funktionalität wie bei Geräten nach dem Stande der Technik jedoch ohne die dort vorhandenen Schwachstellen. Der Aufbau ist in der 2 dargestellt. Der Linearmotor 21, dessen Aufgabe es ist, die Längsbewegungen zu erzeugen, kann unter- oder innerhalb des Pendelantriebes eingebaut sein, um die Konstruktion schmal zu halten. Der alternative Aufbau ist in der 3 dargestellt.The design is a compact and simple structure with the same functionality as in devices according to the prior art, but without the weak points present there. The structure is in the 2 shown. The linear motor 21 , whose task it is to generate the longitudinal movements, can be installed below or inside the pendulum drive in order to keep the construction narrow. The alternative structure is in the 3 shown.

Die Position der Spitze des Stabes/Rohrs 18 kann durch den an seinem Ende montierten Neigungssensor 19 bestimmt werden. Da der Neigungssensor 19 auch Beschleunigungswerte liefert, können die zusätzlichen Daten zur Kontrolle des dynamischen Verhaltens des Instruments und der Kollisionserkennung benutzt werden.The position of the tip of the rod / tube 18 can by the inclination sensor mounted at its end 19 be determined. Because the tilt sensor 19 also provides acceleration values, the additional data can be used to control the dynamic behavior of the instrument and collision detection.

1 zeigt das mit Kraftrückkopplung versehene Ein-/Ausgabegerät nach Ausführung, das auf die Schwebefläche 1 montiert ist. In den 1 und 2 sind Walzenantriebe/-hemmungen 14, 15, 16 angedeutet. 1 shows the input / output device with force feedback after execution, which on the floating surface 1 is mounted. In the 1 and 2 are roller drives / escapements 14 . 15 . 16 indicated.

2 zeigt Konstruktionseinzelheiten des Ein-/Ausgabegerätes. Auf der Kugeloberfläche abrollende Motoren 14, 15, 16 schwenken das Rohr 18. Der im Kugelinnern eingebaute Rotationsantrieb 20 dreht das Rohr 18, der ebenfalls im Innern der Kugel 17 drunter sitzende Linearantrieb 21 bewegt das Rohr axial. 2 shows construction details of the input / output device. Motors rolling on the ball surface 14 . 15 . 16 swing the pipe 18 , The rotary drive built into the inside of the ball 20 turns the pipe 18 which is also inside the sphere 17 linear actuator underneath 21 moves the pipe axially.

3 zeigt den Antrieb mit anderen Antriebsarten. Der in der Platte 1 kugelgelagerte Ring 27 bildet mit am äußeren Umfang eingebauten Permanentmagneten 26 und in der Platte 1 eingebauten Motorwicklungen 25 mit Polschuhen 24 den Rotationsantrieb für das Rohr 18. Die im Ring 27 am inneren Umfang eingebauten Permanentmagnete 26 bilden mit dem in der Kugel 17 eingebauten Anker mit Wicklung den Schwenkantrieb. Hier sitzt zentral im Innern der Kugel 17 der Linearantrieb 21 für die axiale Rohrbewegung. 3 shows the drive with other drive types. The one in the plate 1 ball bearing ring 27 forms with permanent magnets built into the outer circumference 26 and in the plate 1 built-in motor windings 25 with pole shoes 24 the rotary drive for the pipe 18 , The one in the ring 27 Permanent magnets built into the inner circumference 26 form with that in the ball 17 built-in armature with winding the swivel drive. Here sits in the center of the ball 17 the linear drive 21 for axial pipe movement.

4 zeigt eine antriebstechnisch ähnliche elektromotorische Einrichtung wie in 3. Der äußere Ringantrieb 27 dreht, der innere Ringantrieb, Anker mit Kugelsegmentkontur 28, schwenkt, aber der Linearantrieb 21 für die axiale Bewegung sitzt außerhalb der Kugel 17, und zwar hier unterhalb von ihr. 4 shows an electromotive device similar in drive technology as in 3 , The outer ring drive 27 turns, the inner ring drive, armature with spherical segment contour 28 , pivots, but the linear drive 21 for the axial movement sits outside the ball 17 , here below of her.

5 und 6 zeigen einen völlig anderen Aufbau als bisher geschildert, und zwar durch eine Schnittdarstellung durch das Zentrum der zwei Schwenkebenen. In den würfelförmigen äußeren Schwenkrahmen 30 sind vier Scheiben-/Flachmotoren 29 eingebaut. Jeweils zwei solche Scheibenmotoren 29 sitzen sich gegenüber auf einer gemeinsamen Achse, auf der auch die beiden Motordrehachsen liegen. Die beiden Motorpaarachsen stehen senkrecht zueinander und schneiden sich im Zentrum der beiden Schwenkrahmen 30 und 32. Die jeweilige Achse des einen Motorpaars lagert drehbar im Rahmen 23 in der Platte 1, die zwei Achsen des andern Motorpaares halten zwischen sich den inneren Schwenkrahmen 32. In 5 sind die vier Motoren 29 von außen an den äußeren Schwenkrahmen 30 angebaut, in 6 das eine Motorpaar von innen und das andere von außen. 5 and 6 show a completely different structure than previously described, namely by a sectional view through the center of the two pivot planes. In the cube-shaped outer swing frame 30 are four disc / flat motors 29 built-in. Two such disc motors each 29 sit opposite each other on a common axis on which the two motor axes of rotation lie. The two motor pair axes are perpendicular to each other and intersect at the center of the two swivel frames 30 and 32 , The respective axis of one pair of motors rotates in the frame 23 in the plate 1 , the two axles of the other motor pair hold the inner swivel frame between them 32 , In 5 are the four motors 29 from the outside to the outer swing frame 30 grown in 6 one pair of motors from the inside and the other from the outside.

7 zeigt beispielhaft eine mögliche Verknüpfung der Datenverarbeitungsanlage 33 mit den Servo-Verstärkern 34, 35 und der Auswerteelektronik 36 für die Neigungssensoren 11, 12, 13. Die Einrichtung kann aus einer oder mehreren schwebenden Flächen/Platten 1, einem oder mehreren Ein-, Ausgabegeräten und dazu gehöriger Elektronik für die Positionsauswertung und für die Motorantriebe bestehen, die alle über das zentrale PC-System 33 gesteuert werden. 7 shows an example of a possible link between the data processing system 33 with the servo amplifiers 34 . 35 and the evaluation electronics 36 for the inclination sensors 11 . 12 . 13 , The device can consist of one or more floating surfaces / plates 1 , one or more input and output devices and associated electronics for position evaluation and for the motor drives stand, all over the central PC system 33 to be controlled.

II: Konstruktionsrahmenstructural frame
11: Fläche, PlatteSurface, plate
2,3,42,3,4: Linearantrieb, ServomotorLinear actuator, servomotor
5,6,75,6,7: Gelenkewellejoints wave
8,9,108,9,10: federelastisches Element, Koppelelement, Ankerpunktresilient Element, coupling element, anchor point
11,12,1311,12,13: Neigungssensortilt sensor
14,15,1614,15,16: Kugel- oder WalzenantriebBullet- or roller drive
1717: KugelBullet
1818: Rohr/Stab, Längsachse, SchaftTube / rod, longitudinal axis, shaft
1919: 3D-Sensor, Instrumentenspitze3D sensor, instrument tip
2020: Rotationsantriebrotary drive
2121: Linearantrieblinear actuator
2222: Kugelführungball guide
2323: Rahmenframe
2424: Polschuhpole
2525: SpuleKitchen sink
2626: Permanentmagnetpermanent magnet
2727: kugelgelagerter Ring, Rotor des Ringmotorsball bearing Ring, rotor of the ring motor
2828: Anker mit Kugelsegmentkonturanchor with spherical segment contour
2929: Scheibenmotorwheel motor
3030: äußerer Schwenkrahmenouter swing frame
3131: Zahnradgear
3232: innerer Schwenkrahmeninternal swing frame
3333: DatenverarbeitungsanlageData processing system
3434: Servoverstärker für Kugel-/WalzenantriebServo amplifier for ball / roller drive
3535: Servoverstärker für LinarantriebServo amplifier for linear drive
3636: Auswerteelektronik für Neigungssensorenevaluation for inclination sensors

Claims

Device for the movement of a rod / tube within a double cone / double pyramid specified by the construction of the device while maintaining an immobile point, the invariant point, on the rod / tube axis, the rod / tube ( 18 ) has four degrees of freedom of movement, namely: - Swiveling the rod / tube axis in two planes that are not parallel to each other, the invariant point being on the line of intersection of the two planes, - Axial movement of the rod / tube ( 18 ) and turning the rod / tube ( 18 ) around its axis, they are motor drives ( 14 . 15 . 16 . 20 . 21 ) to operate the degrees of freedom and these motor drives ( 14 . 15 . 16 . 20 . 21 ) are in a frame ( 23 ) through which the rod / tube ( 18 ) protrudes, the rod / tube ( 18 ) either via these motor drives ( 14 . 15 . 16 . 20 . 21 ) with a given moment or one of the rod / tube ( 18 ) externally forced movement via these motor drives ( 14 . 15 . 16 . 20 . 21 ) is inhibited with a given moment, characterized that the frame ( 23 ) in a surface ( 1 ) that has at least three anchor points ( 8th . 9 . 10 ) and at these anchor points ( 8th . 9 . 10 ) one extendable PTO shaft ( 5 . 6 . 7 ) via spring-elastic means, the other end of which is fixed and rigidly anchored in a construction frame (I), whereby the surface ( 1 ) via these cardan shafts ( 5 . 6 . 7 ) can either be issued in any direction or counteracted from outside.

Device according to claim 1, characterized in that the frame ( 23 ) is a circular ring, the inner surface of which is a spherical segment surface in which a ball ( 17 ) slides through the rod / tube ( 18 ) polar protrudes, three ball or roller drives ( 14 . 15 . 16 ) on or on the front of the frame ( 23 ) sit and hit the ball ( 17 ), the axes of the three drives ( 14 . 15 . 16 ) in one plane through the sphere ( 17 ) and form an equilateral triangle, whereby the rod / tube ( 18 ) can be swiveled in any direction of the double motion cone, inside the ball ( 17 ) a rotor drive ( 20 ) for the rotation of the rod / tube ( 18 ) and a linear drive ( 21 ) for the axial movement of the rod / tube ( 18 ) is anchored.

Device according to claim 1, characterized in that in the inner circular jacket wall of the frame ( 23 ) evenly distributed around the circumference of electrical coils ( 25 ) with one pole shoe each ( 24 ) are embedded and the outer wall contour has the shape of a spherical segment, in the circular plane of the frame ( 23 ) one in the inner wall of the frame ( 23 ) ball bearing ring ( 27 ) sits on its outer surface distributed evenly around the circumference of permanent magnets ( 26 ) in the number of coils facing outwards ( 25 ) in the ring ( 27 ) an anchor in the center ( 28 ) seated on ball bearings, the two pole pieces of which are each wrapped with an electrical coil, with their radially outward-facing surface on a ring ( 27 ) central spherical surface and the anchor ( 28 ) only in a perpendicular to the circular plane of the frame ( 23 ) standing plane is pivotable, the two pole pieces each have a permanent magnet ( 26 ) which faces the inner wall of the ring ( 27 ) are embedded while maintaining a spherical segment contour, centrally between the two pole pieces of the armature ( 28 ) the linear drive ( 21 ) seat through which the rod / tube (18) protrudes.

Device according to claim 1, characterized in that in the frame ( 23 ) an outer swing frame ( 30 ) who lies with his level out of the level of the frame ( 23 ) is pivotable with the pivot / rotation axis through the center of the frame ( 23 ) and the swivel frame ( 30 ) goes; in the swivel frame ( 30 ) a disc motor ( 29 ) sits or two disc motors ( 29 ) sit, whose or whose axis lies or lie on the swivel axis and is positively and non-positively in the frame ( 23 ) protrudes, or in the case of only one such motor ( 29 ) instead of the second motor ( 29 ) a coaxially rotatable shaft sits in the swivel frame ( 30 ) another disc motor ( 29 ) sits or two further disc motors ( 29 ) sit, its axis or its axes in the interior of the outer swing frame ( 30 ) protrude, and lie on a straight line that the axis of rotation of the outer swing frame ( 30 ) cuts vertically and in the circular plane of the frame ( 23 ) lies, at least the axis of the one disc motor ( 29 ) inside the swivel frame ( 30 ) projecting axis in an inner swing frame ( 32 ) through which the rod / tube ( 18 ), axially guided, protruding, positive and non-positive, in the case of two disc motors ( 29 ) with axes protruding into the ring either the axis of the second one also coaxial in the swivel frame ( 32 ) is positively and non-positively inserted or the second disc motor ( 29 ) as an axial mover for the rod / tube ( 18 ) serves by a on the rod / tube ( 18 ) anchored rope / chain runs around the motor shaft, in or on the swivel frame ( 32 ) a rotor drive sits, which / the rod / tube ( 18 ) turns if no disc motor ( 29 ) is used as an axial mover, in or on the swivel frame ( 32 ) a linear actuator is seated.

Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that all motors ( 29 ) are each provided with a position transmitter.

Device according to claim 5, characterized in that on the surface ( 1 ) at least one three-dimensionally sensitive inclination sensor ( 11 . 12 . 13 ) sits.

Device according to claim 6, characterized in that at the distal end of the rod / tube ( 18 ) a three-dimensionally sensitive inclination sensor ( 19 ) sits.

Device according to claim 7, characterized in that the position and inclination sensors to an electronic data processing system ( 36 ) are connected, in which the signals for the force / moment specified movement or movement inhibition are processed and the motor drives are controlled accordingly.