Getriebe mit 4 Freiheitsgraden für robotische Anwendungen in der Medizin / A Gearing Mechanism with 4 degrees of Freedom for Robotic Applications in Medicine

Abstract

Anwendungen in der roboterunterstützten Chirurgie basieren derzeit auf der Anpassung von Manipulatoren aus der industriellen Fertigung. Es wird in der vorliegenden Arbeit eine neuartige rotatorische Getriebekinematik für einen Manipulator beschrieben. Sie wurde speziell für den Einsatz in der roboterunterstützten Chirurgie konstruiert.

Es wird der Aufbau der Getriebekinematik für die Positionierung und Ausrichtung eines Anlenkpunktes beschrieben. Die Vorwärts- und Inverskinematik wurde berechnet. Eine konstruktiver Lösungsvorschlag wird gezeigt.

Das Getriebe basiert auf zwei Scheibensystemen. Jedes dieser Systeme besteht aus gegeneinander verdrehbaren Scheiben, deren Bauform und -größe so gewählt sind, daß ein Anlenkpunkt innerhalb der Bewegungsgrenzen des Getriebes frei positioniert werden kann. Die Kinematik ermöglicht somit eine x-y-Positionierung mit rein rotatorischen Bewegungen. Eine räumliche Anordnung von zwei gleichen Scheibensystemen läßt Bewegungen in vier Freiheitsgraden (DOF) zu.

Das Bauprinzip erweist sich als kompakt, weiter miniaturisierbar, flexibel und günstig herzustellen. Aufbauend auf dem mechanischen Konzept, soll ein neuer kleiner automatisierter Manipulator für den operativen Einsatz entwickelt werden.

Applications in robot-aided surgery are currently based on modifications of manipulators used in industrial manufacturing processes. In this paper we describe novel rotatory kinematics for a manipulator, specially developed for deployment in robot-aided surgery.

The construction of the gearing mechanism used for the positioning and orientation of a linkage point is described. Forward and inverse kinematics were calculated, and a constructive solution proposed.

The gearing mechanism is based on two disk systems, each of which consists of two opposing rotatable discs. The construction was designed in such a way that the linkage point can be positioned freely anywhere within the mechanism’s range of motion. The kinematics thus permits an x-y-positioning via rotating movements only. The spatial arrangement of two of such disc systems permits movements in four degrees of freedom (DOF).

The construction is compact, but can be further miniaturized, is flexible and manufacturing costs are low. On the basis of this mechanical concept a new, small automated manipulator for surgical application will be developed.