In dieser Arbeit wird die neue Eingabekonsole des Chirurgiesystems DLR MiroSurge vorgestellt. Die haptischen Eingabegeräte, Sigma.7, wurden von Force Dimension für diese Konsole, in Kooperation mit dem DLR, entwickelt. Das Sigma.7 verfügt über 7 Motoren, um alle Raumfreiheitsgrade und einen Greifer anzutreiben. Es bietet damit die Möglichkeit zur Rückkopplung von Kräften und Momenten. Die maximalen Kräfte betragen dabei 20 N und die Momente 0.4 Nm im Arbeitsbereich. Durch eine steife Auslegung der Struktur, eine geringe Verkopplung der Trägheiten und eine unterstützende Regelung mit einem integrierten Kraft-/Momentensensor wird eine hohe Transparenz für den Bediener erreicht. Es soll damit ermöglicht werden auch geringe Variationen der Umgebungssteifigkeit zu ertasten, um z.B. einen Tumor zu lokalisieren. Zwei Eingabegeräte, für die linke und rechte Hand, sind ergonomisch günstig angeordnet. Die gesamte Konsole mit haptischen Eingabegeräten und 3D-Bildschirm ist elektrisch höhenverstellbar und kann sitzend oder stehend bedient werden. Die neue Chirurgenkonsole ist voll in das MiroSurge-System am DLR integriert.
Die Konsole soll so gestaltet sein, dass der Chirurg mit den Händen ergonomisch nah beieinander und unterstützt von
einer Armauflage arbeiten kann. Der Arbeitsraum sollte dabei groß genug sein, um einen Knoten mit einer flüssigen
Bewegung machen zu können, ohne mit dem Fußpedal aus- und einkoppeln zu müssen. Die Konsole sollte sich an die
ergonomischen Bedürfnisse des Chirurgen, wie z.B. Körpergröße oder bevorzugte Arbeitshaltung anpassen können, um
gesundheitliche Probleme zu vermeiden [
In dem MiroSurge-System wurden bis 2009 die kommerziell erhältlichen Omega.7 von Force Dimension verwendet, welche nur 4 von 7 Freiheitsgraden mit Motoren antreiben. Die Konsole war nicht höhenverstellbar. Da keines der kommerziell erhältlichen haptischen Eingabegräte die Spezifikation des DLR in vollem Umfang erfüllt, wurde eine Kooperation des DLR mit Force Dimension vereinbart. Auf der Automatica 2010 wurde die neue Konsole für MiroSurge mit zwei Sigma.7 nach einjähriger Entwicklungszeit vorgestellt. Die Konsole, mit der Aufhängung der Geräte, wurde am DLR entwickelt. Die haptischen Eingabegeräte Sigma.7 wurden von Force Dimension nach Spezifikation des DLR entwickelt (Abb. 1). Seit 2011 bietet Force Dimension eine modifizierte kommerzielle Version des Sigma.7 an. Diese ist weitgehend baugleich mit der DLR Version, verfügt aber nicht über einen Kraft-/Momentensensor. Im Folgenden werden das Design, dynamische Eigenschaften und Regelung der MiroSurge-Konsole mit den Sigma.7 vorgestellt. 2
Die mechatronische Struktur des Sigma.7 besteht aus drei Hauptkomponenten: translatorische Basis, rotatorisches
Handgelenk und Greifereinheit. Die translatorische Basis ist als Parallelkinematik mit drei Freiheitsgraden ausgeführt,
um mit hoher Steifigkeit Kräfte übertragen zu können [
Im Schnittpunkt der drei rotatorischen Handgelenksachsen des Sigma.7 (HCP) ist ein Kraft-/Momentensensor (Nano17, ATI Inc., USA) integriert, wie in Abb. 2 gezeigt. Der Sensor bildet die mechanische Schnittstelle zwischen dem Handgelenk und der Greifereinheit. Der Daumen wird an der Greifereinheit fest angelegt, während der Zeigefinger mit dem Greiffreiheitsgrad bewegt wird. Daumen und Zeigefinger werden durch Schlaufen geführt, um den Greifer in beide Richtungen bewegen zu können.
mit zwei Sigma.7, 3D-Monitor, Fußpedal und Hubsäule
N), oben ohne Regelung, unten mit Regelung Die Konsole integriert zwei Sigma.7, einen autostereoskopischen 3D-Bildschirm, Fußpedale und eine elektrische Hubsäule (Abb. 3). Der 3D-Bildschirm ermöglicht es dem Bediener seinen Kopf zu bewegen. Anders als bei binokularen Displays ist keine fixierte Kopfposition erforderlich. Dadurch kann der Chirurg besser mit dem OP-Personal kommunizieren und seine Sitzposition variieren. Die Konsole kann an verschiedene Körpergrößen und Arbeitshaltungen angepasst werden. Die elektrische Höhenverstellung erlaubt auch eine Bedienung in stehender Position. Der Monitor ist separat verstellbar. Mit den Fußpedalen kann die Kopplung der Eingabegeräte mit den Instrumenten bzw. dem Endoskop gesteuert werden. 3
In der haptischen Interaktion wird der Greifer als separater, funktionaler Freiheitsgrad betrachtet, wobei der Schnittpunkt der rotatorischen Achsen (HCP) zwischen Daumen und Zeigefinger als Referenzpunkt für die Bedienerinteraktion genommen wird. In der Jacobimatrix (Partielle Ableitung der Kartesischen Geschwindigkeit nach den Gelenkgeschwindigkeiten) für diesen Punkt sieht man die kinematische und statische Entkopplung der translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade. Die 6x6 Matrix ist mit zwei 3x3 Matrizen, je eine Matrix für die translatorische Basis und eine Matrix für das rotatorische Handgelenk des Geräts vollständig beschrieben. Eine Kraft muss daher nicht mit den Motoren des Handgelenks abgestützt werden, wie dies bei vielen Geräten mit einem stiftartigen Griffstück der Fall ist. Es können damit große Kräfte und kleine Momente gleichzeitig dargestellt werden. Die dynamische Verkopplung sieht man in der Trägheitsmatrix für die Achsen 1 bis 6. Die Trägheitsmatrix ist in der nominalen Position näherungsweise diagonal, wobei die Nicht-Diagonalelemente etwa eine Größenordnung kleiner sind als die Diagonalelemente. Eine vom Bediener eingebrachte Kraft führt daher fast ausschließlich zu einer Bewegung in die Richtung dieser Kraft. Die geringe Verkopplung durch die Nicht-Diagonalelemente ist kaum spürbar.
Eine Reduktion der vom Bediener wahrgenommenen Massenträgheit und Reibung wurde durch eine Regelung mit dem Kraftsensor realisiert. Die Regelung kann physikalisch interpretiert werden, als eine Skalierung der Trägheit und Reibung zwischen den Motoren und dem Sensor. Dadurch wird das haptische Eingabegerät leichtgängiger und der Bediener sensitiver für kleine Änderungen in der Umgebungssteifigkeit. Die Kraftrückkopplung wird also weniger von der Eigendynamik des Eingabegerätes überlagert und die Transparenz wird erhöht. Es kann theoretisch gezeigt werden, dass die Regelung zu einem passiven Verhalten der verkoppelten nicht-linearen Mechanik im geschlossenen Regelkreis führt. Es wurden zwei Experimente in der z-Achse (Vertikalen) gemacht. Beide Experimente werden zuerst ohne und dann mit der Kraftregelung durchgeführt, wobei die Schwerkraft immer kompensiert ist. Der Skalierungsfaktor beträgt 0,5, d.h. Massenträgheit und Reibung werden durch die Regelung halbiert. Im ersten Experiment regt der Bediener das Eingabegerät mit einer Sinusförmigen Bewegung an, zunächst ohne die Regelung und dann mit der Regelung. Vergleicht man das Verhältnis von Geschwindigkeit zu benötigter Kraft der beiden Durchgänge, so halbiert es sich. Man braucht also bei gleicher Geschwindigkeit nur die halbe Kraft. Der experimentell ermittelte Skalierungsfaktor von 0,498 entspricht dem theoretischen Erwartungswert von 0,5.
In einem zweiten Experiment wird der Vorteil der Reibungsskalierung gezeigt. Bei einer externen Last von 60 Gramm fällt das Griffstück wegen der Schwerkraft zunächst nach unten und wird dann durch Reibung bis zum Stillstand abgebremst (Abb. 4, oben). Mit der Regelung fällt das Gerät mit zunehmender Geschwindigkeit nach unten bis es von einer virtuellen Wand zurückgestoßen wird, um schließlich in einem stabilen Kontakt mit der virtuellen Wand zur Ruhe zu kommen (Abb. 4, unten). Die Experimente zeigen, dass Trägheit und Reibung mit der Regelung effektiv reduziert werden. 4
Es wurde eine Chirurgenkonsole für das MiroSurge-System am DLR vorgestellt. Für die Konsole wurde ein neues haptisches Eingabegerät, Sigma.7, von Force Dimension, in Kooperation mit dem DLR, entwickelt. Die gesamte Konsole ist höhenverstellbar um sich der Ergonomie des Bedieners anpassen zu können. Die Eingabegeräte verfügen über sieben angetriebene Freiheitsgrade um Kräfte, Momente und die Greifkraft darstellen zu können. Die geringe mechanische Verkopplung, sowie eine regelungstechnische Reduktion von Massenträgheit und Reibung, sorgen für eine sehr hohe Transparenz der haptischen Eingabegeräte.
Die Konsole ist voll in MiroSurge integriert und in Zukunft soll das Robotersystem mit Chirurgen evaluiert werden. Fragenstellungen ergeben sich dabei unter Anderem aus dem Konsolendesign mit dem offenen 3D-Monitor, sowie der Ergonomie mit Höhenverstellung und Unterarmauflage. Eine zentrale Rolle spielt auch die Weiterentwicklung und Erprobung der Kraftrückkopplung in MiroSurge mit den Sigma.7. 5