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Fragestellung: Bei operativen Eingriffen am Hüftgelenk bringt der Operateur Knochenhebel (Haken) ein und übergibt diese an einen ihm gegenüber stehenden Assistenten zum Halten.

Der Einsatz eines Roboters bietet sich für diese ermüdende Haltetätigkeit an.

Für die Kooperation Mensch-Roboter muss die Maschine mit bestimmten Fähigkeiten ausgestattet sein und die Mensch-Maschine Schnittestelle sollte den gewohnten Arbeitsablauf des Operateurs vor allem bei den häufigen Hakenübergaben nicht behindern. Dazu bedarf der Roboterarm eines Greifers, der passend positioniert wird um mit dem Haken, z. B. durch Heranführen des Roboterarms, verbunden werden zu können. Da das Führen ca. 30 s dauert, war es unser Ziel, eine selbständige und exakte Annäherung des Greifers zum Haken zu realisieren um die Verbindung so schnell zu ermöglichen, dass der gewohnte Arbeitsablauf und die semiautonome Funktion des Systems beibehalten werden.

Methodik: Bei einer Hüft-TEP OP wurden die Anzahl der Hakenübergaben und die benötigte Übergabezeit analysiert.

Es wurde ein 6DOF-Leichtbauroboterarm (LWA3, Fa. Schunk) mit integrierten Kraft-Momenten-Sensor (KMS) und 1 m Armlänge eingesetzt. Seine Haltekraft von 150 N ist ausreichend, da intraoperative Messungen Kräfte bis 100 N erwarten lassen.

Über dem Roboter wurde eine Kamera (Xtion PRO, Fa. ASUS) angebracht, um den am Haken montierten Marker (ALVAR, Fa. VTT) zu detektieren. Zum Betrieb des Roboters wurden ein Controller (KeMotion r4000, Fa. KEBA), ein Steuerrechner mit ROS Framework (ROS.org), eine Bilderkennung (OpenCV.org) und eine Kraft- und Impedanzregelung eingesetzt. Der Greifer wurde für eine formschlüssige Kopplung mit dem Haken ausgelegt, um die Kraft- und Impedanzregelung am Haken zu ermöglichen.

Ein dynamisches Phantom wurde zur Simulation des OP-Situs erstellt, um das System auf Funktionsfähigkeit und Risiken überprüfen zu können.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Bei einer Hüft-TEP OP erfolgen ca. 25 Hakenübergaben von je ca. 2 s Dauer.

Die extrinsische optische Sensorik lokalisiert den Haken und der Roboterarm erreicht ihn in ca. 5 s, wonach der Operateur den Haken manuell an den Greifer koppelt. Die Annäherung erfolgt zweistufig. Erst wird unter Einhaltung eines Sicherheitsabstands (~60 mm) der Greifer orientiert und vorpositioniert. Dann wird er über eine geradlinige Bewegung an den Haken herangefahren. Dieses Vorgehen erlaubt höhere Geschwindigkeiten, ohne Patient und Personal zu gefährden, da Kollisionen mit dem Haken wegen des Sicherheitsabstandes vermieden und Fehler der Orientierung durch den Operateur frühzeitig erkannt werden.

Nun stehen neben den Betriebszuständen „Kraftfreies Führen“ und „Referenzkraft Messen und Halten“ das „Automatische Annähern“ zur Verfügung, die alle vom Operateur ausgelöst werden können, dem die Prozesskontrolle obliegt.

Das semiautonome robotische System konnte mit der Integration der optischen Sensorik dem gewohnten Arbeitsablauf eines Hüfteingriffes weiter angepasst werden, so dass eine hohe Akzeptanz im OP zu erwarten ist.