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.

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. 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.

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.

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.

In der PCT-Anmeldung WO 2010/ 127109 AI 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.

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.

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 on 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 nano-manipulations" (von D. Chakarov, M. Abed Al-Wahab, R. Kasper und K. Kostadinov, erschienen in den Proceedings der "8. Magdeburger Maschinenbau- Tage", Oktober 10-11, 2007, Magdeburg, S.173-180) werden ferner eine Reihe von

kinematischen Kombinationsmöglichkeiten von Piezoaktoren aufgezeigt, welche jeweils geschlossene kinematische Ketten darstellen.

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.

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.

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.

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 50mm aufweisen. Allerdings sind auch erheblich kleinere Schubgelenke mit ungefähr 10mm Stellweg möglich. Ferner kann der Manipulator auch mit wesentlich größeren Schubgelenken ausgestattet werden, womit Stellbewegungen beispielsweise im Bereich von Im bewerkstelligt werden, wobei hierfür dann vorzugsweise elektrische Stellzylinder bzw. Elektromotoren mit Spindeltrieben einzusetzen wären.

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. 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. Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnungen näher

erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : eine perspektivische Ansicht eines Manipulators mit serieller und paralleler Kinematik. Fig. 2: eine perspektivische Ansicht eines Piezoaktors des Manipulators.

Fig. 3: eine perspektivische Ansicht eines Manipulators mit zusätzlichem manuell bewegbaren Schubgelenk an der Basis

Fig. 4: eine perspektivische Ansicht eines Manipulators nach Fig. 3 mit zusätzlicher Brille und verstellbarem Gestänge

Fig. 5: eine perspektivische Ansicht eines Manipulators nach Fig. 4 mit Montage auf einem Operationstisch

Fig. 6: eine perspektivische Darstellung eines Gesamtsystems für den Einsatz in medizinischer Umgebung

In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 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 für 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 5 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

10 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

15 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

0 dargestellten Schnellverschluss aufweisen, so dass montierte Werkzeuge oder

ophthalmologische Operationsinstrumente innerhalb kürzester Zeit gewechselt werden können. Der Manipulator 10 nach Fig. 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

5 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

30 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 2 ist eine perspektivische detailliertere Ansicht eines beispielhaften Piezoaktors des Manipulators dargestellt. Alle bereits in Fig. 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 Fig. 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 AI 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 ideal erweise 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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. Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Manipulators 10 nach Fig. 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 5 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 10 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.

In Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Manipulators 10 nach Fig. 4 mit Montage auf 15 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.

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Fig. 6 zeigt als erweiterte Ausprägungsform des erfindungsgemäßen Manipulators 10 eine perspektivische Darstellung eines Gesamtsystems für den Einsatz in medizinischer Umgebung. Die bereits in Fig. 4 und Fig. 5 beschriebenen Elemente werden innerhalb des in Fig. 6 dargestellten Gesamtsystems mit weiteren Komponenten vereint. Der Manipulator 10 wird 5 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

30 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 Fig. 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.

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 Im ermöglichen. Auf diese Weise ergibt sich ein in kinematischer Hinsicht identischer zu dem beispielhaft in Fig. 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.

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.