Abstract Einleitung & Fragestellung Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit auf verschiedenen Kinematiken basierenden Maschinen zum Einsatz als handgehaltene Roboter für den orthopädisch-chirurgischen Bereich. An Medizinroboter werden hohe Anforderungen besonders im Bezug auf die Integration des Roboters in den Operationsablauf gestellt. Diese erscheinen mit einem Roboter, der in der Hand des Benutzers gehalten wird und somit dem Bediener die Überwachung seiner Arbeit ermöglicht, während gleichzeitig mit hoher Präzision programmierte Frästrajektorien ausgeführt werden, besonders gut erfüllt zu sein. Die Entwicklung eines handgehaltenen Roboters ist nicht zuletzt wegen der hohen Anforderungen an die Dynamik, die Kräfte und speziell das Gewicht der Maschine eine besondere Herausforderung. Für den Einsatz als handgehaltener Roboter steht neben bekannten Parallelkinematiken eine neuartige hybride Kinematik zur Verfügung, die auf der Verdrehung achsparalleler Scheiben basiert. Diese wird als Epizaktor (aus "epizyklisch"' und "Aktor"') bezeichnet, erscheint viel versprechend und soll ausführlich hinsichtlich des Einsatzes als handgehaltener Roboter beschrieben, untersucht und mit den zwei bekannten Parallelkinematiken "Hexapod"' und "Hexaglide"' verglichen werden. Ziel ist es, zu ergründen, welche Kinematik sich prinzipiell am besten für eine technische Umsetzung eignet. Vorgehensweise Um den Vergleich führen zu können, werden in einem ersten Schritt die Spezifikationen, die für einen handgehaltenen Medizinroboter anzunehmen sind, mit Hilfe von Literaturrecherchen und technischen Überlegungen erarbeitet. Im Anschluss wird eine Literaturrecherche zur handgehaltenen Robotik und zum Stand der Technik der epizyklischen Kinematiken präsentiert. In einem weiteren Schritt wird gezeigt, dass epizyklische Kinematiken mit mehreren Freiheitsgraden möglich sind und aus der Menge der so identifizierten Kinematiken die 6-DOF-Kinematik mit den günstigsten Eigenschaften ausgewählt. Hierzu wird ein aus der Literatur bekanntes Vergleichsverfahren angewandt. In einem dritten Schritt werden zunächst die Kinematiken Hexapod, Hexaglide und Epizaktor auf theoretischer Ebene verglichen. Ein Vergleich von drei auf den genannten Kinematiken basierenden und als handgehaltene Roboter konzipierten Maschinen schließt die Untersuchung ab. Ergebnisse In Abschnitt 1 wird die Klassifizierung der handgehaltenen Robotik erarbeitet. Ein handgehaltener Roboter ist demnach eine einfach umprogrammierbare Bearbeitungsmaschine, deren Baugröße und Gewicht ein Tragen in der Hand des Bedieners erlauben. Abschnitt 2 stellt den Stand der Technik im Bereich der handgehaltenen Robotik sowie den der epizyklischen Kinematiken vor und beschreibt das Arbeitsumfeld von Medizinrobotern. Dabei wird deutlich, dass bisher kein handgehaltener Roboter bekannt ist und epizyklische Kinematiken mit mehr als drei Freiheitsgraden in der Literatur bisher nicht beschrieben sind. Eine ausführliche Zusammenstellung der Spezifikationen für handgehaltene Medizinroboter im orthopädisch-chirurgischen Bereich wird in Abschnitt 3 präsentiert. Diese Spezifikationen betreffen u.a. die Baugröße, das Gewicht, die Größe des Arbeitsraumes, die Dynamik, die Kräfte, die Genauigkeit, die Störgrößen, die externe Sensorik sowie medizinische Aspekte. Es wird deutlich, dass die Realisierung eines handgehaltenen Roboters besonders an das mechatronische Teilsystem eine Herausforderung darstellt. Abschnitt 4 befasst sich mit dem Epizaktor und stellt mögliche Konfigurationen mit mehreren Freiheitsgraden vor. Für die sechs ausgemachten 6-DOF-Kinematikvarianten wird jeweils die Lösung des direkten und inversen kinematischen Problems vorgestellt und ein Vergleich geführt mit dem Ziel, die günstigste 6-DOF-Kinematik zu identifizieren. Für diese werden ein inverses dynamisches Modell sowie eine Möglichkeit zur Vermeidung von Singularitäten erarbeitet. Für die Singularitätsvermeidung werden mit Hilfe von Matlab/Simulink entwickelte Simulationen präsentiert. Dabei wird deutlich, dass der gewählte Regler in der Lage ist, den Einfluss der Singularität in der Mitte des Arbeitsraumes eines Epizaktor-Scheibensystems zu kompensieren. Abschnitt 5 schließlich führt den Vergleich der drei genannten Kinematiken und auf ihnen basierenden Maschinen. Dabei wird ersichtlich, dass der Epizaktor das deutlich größte Potenzial für kleine, leichte und kompakte Maschinen besitzt, weil er das günstigste Verhältnis von Arbeitsraum und Bauraum aufweist. Außerdem führt die Verwendung von rotierenden Antrieben zu einem geringeren Motorgewicht und somit Gesamtgewicht einer solchen Maschine. Die ausgeführten Konstruktionen unterscheiden sich aus verschiedenen vor allem praktischen Gründen im vorliegenden Prototypenstatus nur geringfügig. Diskussion Die handgehaltene Robotik ist eine wenig bekannte Disziplin im Bereich der Robotik und Mechatronik, wie die Literaturrecherche zum Stand der Technik zeigte. Die Spezifikationen für die Entwicklung von Maschinen für den Einsatz als handgehaltene Medizinroboter konnten mit Hilfe der Literatur sowie technischer Überlegungen in ausreichender Tiefe ermittelt werden. Die Entwicklung der epizyklischen Kinematiken mit sechs Freiheitsgraden erbrachte eine Reihe von Varianten, von denen eine für den Einsatz in einem handgehaltenen Roboter ausgewählt wurde. Die Menge der identifizierten Kinematiken erscheint vollständig und die für die weitere Untersuchung ausgewählte Kinematik entsprechend des Vergleichsverfahrens geeignet. Eine Eignung der übrigen Kinematiken für alternative Einsatzzwecke soll nicht ausgeschlossen werden. Der Vergleich von Hexapod, Hexaglide und Epizaktor erbrachte große Unterschiede auf theoretischer Ebene, die im Vergleich der praktisch ausgeführten Konstruktionen weniger deutlich ausfallen. Dies kann vor allem mit dem unterschiedlich weit gediehenen Entwicklungsfortschritt der Maschinen begründet werden. Die Epizaktor-Kinematik bietet das größte Potenzial für den Einsatz als kompakter Medizinroboter und soll für einen solchen als Basis weiterer Entwicklungen - nicht nur im Bereich der Medizinrobotik - dienen
