DE102021128885B4 - Robot system and a method for determining the position of a radio transponder - Google Patents

Robot system and a method for determining the position of a radio transponder Download PDF

Info

Publication number
DE102021128885B4
DE102021128885B4 DE102021128885.1A DE102021128885A DE102021128885B4 DE 102021128885 B4 DE102021128885 B4 DE 102021128885B4 DE 102021128885 A DE102021128885 A DE 102021128885A DE 102021128885 B4 DE102021128885 B4 DE 102021128885B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
radio
transponder
radio wave
wave transmitter
radio transponder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102021128885.1A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102021128885A1 (en
Inventor
Thomas Bahls
Christopher SCHLENK
Sascha Moser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority to DE102021128885.1A priority Critical patent/DE102021128885B4/en
Publication of DE102021128885A1 publication Critical patent/DE102021128885A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102021128885B4 publication Critical patent/DE102021128885B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/74—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/75—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/881—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for robotics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0269—Inferred or constrained positioning, e.g. employing knowledge of the physical or electromagnetic environment, state of motion or other contextual information to infer or constrain a position
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2051—Electromagnetic tracking systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Robotersystem (10), mit
einem Roboterarm (12) mit mindestens einem Radiowellensender (14a, 14b),
mindestens einem passiven Funktransponder (16) zum Empfangen von Radiowellen vom Radiowellensender (14a, 14b) und zum Aussenden eines Funksignals unter Verwendung der Energie der empfangenen Radiowellen des Radiowellensenders (14a, 14b),
wobei der Roboterarm (12) ferner einen Funksignalempfänger zum Empfangen der Funksignale des passiven Funktransponders (16) aufweist,
wobei das Robotersystem (10) ferner eine Steuerung aufweist zum Bestimmen eines Abstands zwischen dem Radiowellensender (14a, 14b) und dem Funktransponder (16) in Abhängigkeit davon, ob der Funksignalempfänger das Signal des passiven Funktransponder empfangen hat oder nicht
wobei dass die Abstandsmessung ausschließlich auf dem Empfangen einer gültigen Kennung des passiven Funktransponders (16) ohne eine Time-of-flight-Messung beruht.

Figure DE102021128885B4_0000
Robot system (10), with
a robot arm (12) with at least one radio wave transmitter (14a, 14b),
at least one passive radio transponder (16) for receiving radio waves from the radio wave transmitter (14a, 14b) and for emitting a radio signal using the energy of the received radio waves from the radio wave transmitter (14a, 14b),
wherein the robot arm (12) further has a radio signal receiver for receiving the radio signals from the passive radio transponder (16),
wherein the robot system (10) further has a controller for determining a distance between the radio wave transmitter (14a, 14b) and the radio transponder (16) depending on whether the radio signal receiver has received the signal from the passive radio transponder or not
wherein the distance measurement is based exclusively on receiving a valid identifier of the passive radio transponder (16) without a time-of-flight measurement.
Figure DE102021128885B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders.The invention relates to a robot system and a method for determining the position of a radio transponder.

Ein derartiges System kann beispielsweise in der minimalinvasiven Chirurgie eingesetzt werden, in welcher der Chirurg durch kleine Zugänge/ Einschnitte mithilfe laparoskopischer Instrumente im Körperinneren Operationen durchführt. Hierbei liefert eine Endoskopkamera einen kontinuierlichen Bilddatenstrom des Operationssitus und der dort agierenden Instrumente. Somit wird die geometrische Anordnung der Instrumente zueinander und zum Endoskop optisch erfasst.Such a system can be used, for example, in minimally invasive surgery, in which the surgeon performs operations inside the body through small accesses/incisions using laparoscopic instruments. An endoscope camera provides a continuous stream of image data of the surgical site and the instruments operating there. The geometric arrangement of the instruments relative to each other and to the endoscope is thus optically recorded.

Nachteilig hieran ist, dass die Kamera lediglich ein begrenztes Blickfeld hat, da eine Erfassung der Instrumente nur im Sichtkegel der Kamera erfolgen kann. Weiterhin sind hohe Datenraten für das Verwenden von Endoskopkameras insbesondere in HD-Qualität notwendig. Auch wird eine hohe Rechenleistung benötigt. Weiterhin kann sich die Datenextraktion aufwendig und zeitintensiv gestalten. Zum Gewinnen von Tiefeninformationen sind entweder teure Stereokameras oder hochentwickelte Bildverarbeitungsverfahren notwendig. Weiterhin sind optische Bildinformationen störanfällig: beispielsweise können sie, durch Reflektionen, Beleuchtung, Rauchentwicklung beim Kautern oder Verschmutzen der Kameralinse mit Flüssigkeiten im Operationssitus beeinflusst werden.The disadvantage of this is that the camera only has a limited field of view, since the instruments can only be captured within the camera's field of vision. Furthermore, high data rates are necessary for using endoscope cameras, especially in HD quality. High computing power is also required. Furthermore, data extraction can be complex and time-consuming. Obtaining depth information requires either expensive stereo cameras or sophisticated image processing methods. Furthermore, optical image information is susceptible to interference: for example, it can be influenced by reflections, lighting, smoke development during cautery or contamination of the camera lens with liquids in the operating site.

DE 10 2020 102 155 A1 beschreibt ein Sicherheitssystem und ein Verfahren zur Lokalisierung eines Objekts unter Verwendung eines Funktortungssystems mit mindestens drei Funkstationen und einem Funktransponder am Objekt. DE 10 2020 102 155 A1 describes a security system and a method for locating an object using a radio location system with at least three radio stations and a radio transponder on the object.

DE 10 2010 035 155 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position eines Objekts, das mittels eines RFID-Transponders markiert ist. DE 10 2010 035 155 A1 describes a method for determining the spatial position of an object that is marked using an RFID transponder.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Robotersystem bereitzustellen, bei dem die Position eines Instruments relativ zu Roboterarmen, welche nicht das besagte Instrument tragen (hier ist die Postition durch die Kinematik des Roboters und des Instruments bekannt) auf alternative Weise erfasst werden kann. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt werden.The object of the invention is to provide a robot system in which the position of an instrument relative to robot arms that do not carry the instrument in question (here the position is known by the kinematics of the robot and the instrument) can be recorded in an alternative way. Furthermore, a corresponding procedure should be provided.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5.The problem is solved according to the invention by the features of claims 1 and 5.

Das erfindungsgemäße Robotersystem weist einen Roboterarm mit mindestens einem Radiowellensender auf.The robot system according to the invention has a robot arm with at least one radio wave transmitter.

Der Sender kann sowohl im Roboterarm als auch in einem daran befestigten minimalinvasiven Instrument untergebracht sein.The transmitter can be housed both in the robot arm and in a minimally invasive instrument attached to it.

Weiterhin ist mindestens ein passiver Funktransponder zum Empfangen von Radiowellen vom Radiowellensender und zum Aussenden eines Funksignals unter Verwendung der Energien der empfangenen Radiowellen des Radiowellensenders vorgesehen.Furthermore, at least one passive radio transponder is provided for receiving radio waves from the radio wave transmitter and for sending out a radio signal using the energies of the received radio waves from the radio wave transmitter.

Weiterhin weist der Roboterarm einen Funksignalempfänger zum Empfangen der Funksignale des passiven Funktransponders und insbesondere zu seiner gleichzeitigen Versorgung auf.Furthermore, the robot arm has a radio signal receiver for receiving the radio signals of the passive radio transponder and in particular for supplying it at the same time.

Das Robotersystem weist ferner eine Steuerung auf zum Bestimmen eines Abstands zwischen dem Radiowellensender und dem Funktransponder in Abhängigkeit davon, ob der Funksignalempfänger das Signal des passiven Funktransponders empfängt oder nicht.The robot system further has a controller for determining a distance between the radio wave transmitter and the radio transponder depending on whether the radio signal receiver receives the signal from the passive radio transponder or not.

Das erfindungsgemäße Robotersystem ist in der Lage, die Position des Funktransponders relativ zum Roboterarm ohne eine optische Erfassung festzustellen. Beispielsweise kann der Funktransponder an einem Instrument oder an einer anderen Stelle im Operationssitus angebracht sein. Der Begriff Operationssitus bezieht sich hierbei nicht lediglich auf minimal-invasive Eingriffe, sondern auf jegliche mögliche robotische Anwendung und bezeichnet hierbei den Raum, in dem die Instrumente des Roboterarms agieren können.The robot system according to the invention is able to determine the position of the radio transponder relative to the robot arm without optical detection. For example, the radio transponder can be attached to an instrument or at another location in the surgical site. The term surgical site does not only refer to minimally invasive procedures, but also to any possible robotic application and refers to the space in which the instruments of the robot arm can operate.

Das erfindungsgemäße Robotersystem kann besonders kostengünstig aufgebaut werden, da entsprechende Radiowellensender und passive Funktransponder sehr günstig erhältlich sind. Beispielsweise können RFID-Sender und RFID-Transponder verwendet werden. Die passiven Funktransponder benötigen hierbei keine Spannungsversorgung und beziehen ihre Energie aus dem Empfang von Radiowellen des Radiowellensenders.The robot system according to the invention can be constructed particularly cost-effectively, since corresponding radio wave transmitters and passive radio transponders are available very cheaply. For example, RFID transmitters and RFID transponders can be used. The passive radio transponders do not require a power supply and draw their energy from receiving radio waves from the radio wave transmitter.

Es ist in allen Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, dass der passive Funktransponder an einem Element, beispielsweise einem Instrument, angebracht ist, das nicht von dem Roboterarm mit dem Radiowellensender getragen wird oder mit diesem verbunden ist. In einem solchen Fall, wäre die Funktion eines solchen Instruments durch die Kinematik des Roboters und des Elements bekannt. Beispielsweise könnte der Radiowellensender an dem Roboterarm, der das Endoskop trägt, angebracht sein. In diesem Fall könnten im Endoskop Bildinformationen zur Pose eines nicht sichtbaren Instruments, das den passiven Funktransponder trägt, angezeigt werden.It is preferred in all embodiments of the invention that the passive radio transponder is attached to an element, for example an instrument, that is not carried by or connected to the robot arm with the radio wave transmitter. In such a case, the function of such an instrument would be known through the kinematics of the robot and the element. For example, the radio wave transmitter could be attached to the robot arm that carries the endoscope. In this case, image information about the pose of an invisible instrument carrying the passive radio transponder could be displayed in the endoscope.

Es ist möglich, den passiven Funktransponder an anderen nicht mit einem Roboterarm verbundenen Objekten anzubringen, beispielsweise Tupfer, Clips, Nahtmaterial, etc, um ein Auffinden durch den Chirugen vor dem Vernähen des Operationssitus zu erleichtern.It is possible to attach the passive radio transponder to other objects not connected to a robotic arm, such as swabs, clips, sutures, etc., to facilitate location by the surgeon before suturing the surgical site.

Bevorzugt umfasst das Robotersystem mindestens zwei Radiowellensender, wobei die Steuerung ausgebildet ist zum Eingrenzen der Position des Funktransponders auf Basis der räumlichen Überschneidung der erreichbaren Reichweitenvolumina der beiden Radiowellensender. Dies beruht darauf, dass jeder Radiowellensender eine bekannte maximale Reichweite hat, sodass hieraus ein Reichweitenvolumen beispielsweise in Form einer Kugel ermittelt werden kann. Die Überschneidung der Reichweitenvolumina der mindestens zwei Radiowellensender ergibt somit die möglichen Positionen für den Funktransponder, sofern beide Funksignalempfänger der zwei Radiowellensender das Funksignal des passiven Funktransponders empfangen haben. Sofern dies der Fall ist, bedeutet dies, dass sich der Funktransponder innerhalb des Reichweitenvolumens eines Radiowellensenders befindet.The robot system preferably comprises at least two radio wave transmitters, the control being designed to limit the position of the radio transponder based on the spatial overlap of the reachable range volumes of the two radio wave transmitters. This is based on the fact that every radio wave transmitter has a known maximum range, so that a range volume can be determined, for example in the form of a sphere. The overlap of the range volumes of the at least two radio wave transmitters thus results in the possible positions for the radio transponder, provided that both radio signal receivers of the two radio wave transmitters have received the radio signal of the passive radio transponder. If this is the case, it means that the radio transponder is within the range of a radio wave transmitter.

Durch Verwendung von mehr als zwei Radiowellensendern kann die Position des Funktransponders noch genauer bestimmt werden, da die räumliche Überschneidung der erreichbaren Reichweitenvolumina der Radiowellensender umso kleiner wird, je mehr Radiowellensender verwendet werden.By using more than two radio wave transmitters, the position of the radio transponder can be determined even more precisely, since the spatial overlap of the achievable range volumes of the radio wave transmitters becomes smaller the more radio wave transmitters are used.

Es ist bevorzugt, dass die Abstandsmessung insbesondere ausschließlich auf dem Empfangen einer gültigen Kennung des passiven Funktransponders beruht und zwar insbesondere ohne eine Time-of-flight-Messung.It is preferred that the distance measurement is based in particular exclusively on receiving a valid identifier of the passive radio transponder, in particular without a time-of-flight measurement.

Weiterhin kann die Steuerung ausgebildet sein zum Variieren der Senderichtung, Sendeleistung, Sendefrequenz, Sendeantennengeometrie, Spulenanzahl, Spulenkonfiguration und/ oder Spulenanordnung zum weiteren Eingrenzen der erreichbaren Reichweitenvolumina der beiden Radiowellensender. Zum Eingrenzen der erreichbaren Reichweitenvolumina kann beispielsweise nur eine der Antennen im Roboterarm betrieben werden. Hierbei wird die Sendeleitung variiert und geprüft, ob der passive Funktransponder antwortet. Das Ergebnis wir gespeichert und die nächste Antenne wird mit derselben Routine betrieben. Auf Basis der Ergebnisse kann sodann die Position mittels Software bestimmt werden.Furthermore, the control can be designed to vary the transmission direction, transmission power, transmission frequency, transmission antenna geometry, number of coils, coil configuration and / or coil arrangement to further limit the achievable range volumes of the two radio wave transmitters. To limit the reach volumes that can be achieved, for example, only one of the antennas in the robot arm can be operated. The transmission line is varied and it is checked whether the passive radio transponder responds. The result is saved and the next antenna is operated with the same routine. Based on the results, the position can then be determined using software.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass mindestens drei jeweils senkrecht zueinander angeordnete Radiowellensender verwendet werden, die insbesondere sequenziell aktivierbar sind. Bevorzugt kann bei mehreren Sendern an verschiedenen Roboterarmen auch exploriert werden, welcher Sender angeschaltet werden muss. Dies erleichtert das Auffinden von Funktranspondern, da aufgrund der torusförmigen Sende-/ Empfangscharakteristik einer Dipolantenne oder einer Spule das Detektieren des Funktransponders abhängig von der Orientierung des Senders und des Empfängers zueinander ist. Durch das sequenzielle Ansteuern der einzelnen Radiowellensender kann die Position des Funktransponders weiter eingegrenzt werden.It is further preferred that at least three radio wave transmitters, each arranged perpendicular to one another, are used, which can be activated in particular sequentially. If there are several transmitters on different robot arms, it is also possible to explore which transmitter needs to be switched on. This makes it easier to find radio transponders because, due to the toroidal transmit/receive characteristics of a dipole antenna or a coil, detecting the radio transponder depends on the orientation of the transmitter and receiver to one another. By sequentially controlling the individual radio wave transmitters, the position of the radio transponder can be further limited.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders relativ zu mindestens einem Radiowellensender in und/ oder an einem Roboterarm. Hierbei kann insbesondere ein Robotersystem verwendet werden, wie es bisher beschrieben wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • Aussenden von Radiowellen durch einen Radiowellensender (14a, 14b) in Richtung des Funktransponders (16),
  • Bestimmen eines Abstands zwischen dem Radiowellensender (14a, 14b) und dem Funktransponder (16) in Abhängigkeit davon, ob ein Funksignalempfänger des Roboterarms Funksignale des passiven Funktransponders (16) empfängt oder nicht.
The invention further relates to a method for determining the position of a radio transponder relative to at least one radio wave transmitter in and/or on a robot arm. In particular, a robot system can be used here, as has been described so far. The method according to the invention comprises the following steps:
  • Emitting radio waves through a radio wave transmitter (14a, 14b) in the direction of the radio transponder (16),
  • Determining a distance between the radio wave transmitter (14a, 14b) and the radio transponder (16) depending on whether a radio signal receiver of the robot arm receives radio signals from the passive radio transponder (16) or not.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sämtliche Merkmale des erfindungsgemäßen Robotersystems aufweisen sowie umgekehrt.The method according to the invention can have all the features of the robot system according to the invention and vice versa.

Das Verfahren umfasst ferner bevorzugt ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders, mit einem Eingrenzen der Positionen des Funktransponders auf Basis der räumlichen Überschneidungen der erreichbaren Reichweitenvolumina der beiden Radiosender.The method further preferably comprises a method for determining the position of a radio transponder, with a limitation of the positions of the radio transponder based on the spatial overlaps of the reachable range volumes of the two radio transmitters.

Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders mit einem Variieren der Senderichtung, Sendeleistung, Sendefrequenz, Sendeantennengeometrie, Spulenanzahl, Spulenkonfiguration und/ oder Spulenanordnung zum weiteren Eingrenzen der erreichbaren Reichweitenvolumina der Radiowellensender.Furthermore, the method according to the invention preferably comprises a method for determining the position of a radio transponder by varying the transmission direction, transmission power, transmission frequency, transmission antenna geometry, number of coils, coil configuration and / or coil arrangement to further limit the achievable range volumes of the radio wave transmitters.

Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders mit einem Aussenden von Radiowellen durch den Radiowellensender in Richtung des Funktransponders, Verändern der Position des Radiowellensenders, insbesondere durch Bewegung des Roboterarms in und/ oder an dem der Radiowellensender angebracht ist, erneutes Aussenden von Radiowellen durch den Radiowellensender in Richtung des Funktransponders, wobei sich hierbei sein erreichbares Reichweitenvolumen verändert hat, Eingrenzen der Position des Funktransponders auf Basis der räumlichen Überschneidung der erreichbaren Reichweitenvolumina des Funkwellensenders vor und nach seinem Bewegen.Furthermore, the method according to the invention preferably comprises a method for determining the position of a radio transponder with an emission of radio waves by the radio wave transmitter in the direction of the radio transponder, changing the position of the radio wave transmitter, in particular by moving the robot arm in and/or to which the radio wave transmitter is attached, again Emitting radio waves through the radio wave transmitter in the direction of the radio transponder, where its achievable range volume has changed, limiting the position of the radio transponder based on the spatial overlap of the achievable range volumes of the radio wave transmitter before and after its movement.

Das Verfahren umfasst ferner bevorzugt ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders mit einem weiteren Eingrenzen der Position des Funktransponders durch Auswahl einer realistisch möglichen Position aus mehreren theoretisch möglichen Positionen des Funktransponders, wobei die Auswahl derart erfolgt, dass anhand historischer Werte von vergangenen Positionen des Funktransponders die realistisch möglichen aktuellen Positionen des Funktransponders eingeschränkt werden.The method further preferably comprises a method for determining the position of a radio transponder with a further limitation of the position of the radio transponder by selecting a realistically possible position from several theoretically possible positions of the radio transponder, the selection being made in such a way that based on historical values of past positions of the radio transponder the realistically possible current positions of the radio transponder are restricted.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to figures.

Es zeigen:

  • 1a und 1b: ein Robotersystem zum Durchführen von minimal-invasiven Eingriffen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • 2: Den Einfluss der Sendeleistung auf die Antennenreichweite.
  • 3: Die Beeinflussung des Messbereichs durch unterschiedliche Antennengeometrien.
  • 4: Eine torusförmige Sende-/ Empfangscharakteristik einer Dipolantenne.
  • 5: Das Detektieren eines Funktransponders in Abhängigkeit von der relativen Position zu den Radiowellensendern.
  • 6a und 6b: Mögliche Ausführungsformen für die Integration der Radiowellensender in einen Roboterarm.
  • 7 und 8: Weitere Beispiele für eine mögliche Anwendung des erfassten Robotersystems.
Show it:
  • 1a and 1b : a robot system for carrying out minimally invasive procedures, as is known from the prior art.
  • 2 : The influence of the transmission power on the antenna range.
  • 3 : The influence of different antenna geometries on the measuring range.
  • 4 : A toroidal transmit/receive characteristic of a dipole antenna.
  • 5 : Detecting a radio transponder depending on the relative position to the radio wave transmitters.
  • 6a and 6b : Possible embodiments for integrating the radio wave transmitters into a robot arm.
  • 7 and 8th : Further examples of a possible application of the recorded robot system.

1a und 1b zeigen einen minimal-invasiven robotischen Eingriff, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Hierbei wird ein Robotersystem 10 verwendet, dass zwei Roboterarme 12 aufweist. Ein Roboterarm 12 ist mit einem Endoskop 20a ausgestattet, während der andere Roboterarm mit einem minimal-invasiven Instrument 20b ausgestattet ist. Beide werden durch eine Öffnung in den Patientenkörper 18 eingeführt. Je nach relativer Position und Ausrichtung von Endoskop und Instrument befindet sich dieses im Sichtkegel des Endoskops (1a). In 1b befindet sich jedoch das Instrument 20b außerhalb des Sichtkegels des Endoskops 20a. In einem solchen Fall kann die Position des Instruments nicht mehr optisch erfasst werden. 1a and 1b show a minimally invasive robotic intervention, as is known from the prior art. A robot system 10 is used here that has two robot arms 12. One robot arm 12 is equipped with an endoscope 20a, while the other robot arm is equipped with a minimally invasive instrument 20b. Both are inserted into the patient's body 18 through an opening. Depending on the relative position and orientation of the endoscope and instrument, this is located in the viewing cone of the endoscope ( 1a) . In 1b However, the instrument 20b is outside the viewing cone of the endoscope 20a. In such a case, the position of the instrument can no longer be detected optically.

Das erfindungsgemäße Robotersystem 10 kann daher drei Radiowellensender 14a, 14b, 14c aufweisen, die jeweils im rechten Winkel zueinander angeordnet sind (siehe 6). Diese können sich beispielsweise im Schaft eines minimalinvasiven chirurgischen Instruments 20b befinden. Gemäß 6a sind drei identische Antennen vorgesehen, die in unterschiedlicher Richtung angeordnet sind, während gemäß 6b drei unterschiedliche Antennen verwendet werden, die auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind.The robot system 10 according to the invention can therefore have three radio wave transmitters 14a, 14b, 14c, each of which is arranged at right angles to one another (see 6 ). These can be located, for example, in the shaft of a minimally invasive surgical instrument 20b. According to 6a three identical antennas are provided, which are arranged in different directions, while according to 6b three different antennas are used, which are arranged on a common circuit board.

In 2a und 2b ist der Einfluss der Sendeleistung auf die Antennenreichweite dargestellt. Bei gleicher Antennengeometrie vergrößert eine Erhöhung der Sendeleistung die Reichweite beispielsweise einer FRID-Antenne. Die Form des Antennensendebereichs ändert sich dadurch nur unwesentlich.In 2a and 2 B The influence of the transmission power on the antenna range is shown. With the same antenna geometry, increasing the transmission power increases the range of a FRID antenna, for example. This only changes the shape of the antenna transmission area insignificantly.

Das erreichbare Reichweitenvolumen kann auch gemäß 3a und 3b durch unterschiedliche Antennengeometrien beeinflusst werden. Bei einer gerichteten Antennengeometrie gemäß 3a ist bei gleicher Sendeleistung der Messbereich in der Vorzugsrichtung der Antennengeometrie größer als bei einer ungerichteten Antennengeometrie gemäß 3b. Sendeleistung und Antennengeometrien können zur zusätzlichen Eingrenzung der Reichweitenvolumina verwendet werden, sodass die Funktion des Funktransponders genauer bestimmt werden kann.The reach volume that can be achieved can also be determined according to 3a and 3b can be influenced by different antenna geometries. With a directional antenna geometry according to 3a With the same transmission power, the measuring range in the preferred direction of the antenna geometry is larger than with a non-directional antenna geometry 3b . Transmission power and antenna geometries can be used to further limit the range volumes so that the function of the radio transponder can be determined more precisely.

In 4 ist die torusförmige Sende-/ Empfangscharakteristik einer Dipolantenne 14a dargestellt. Ein Funktransponder 16 würde in diesem Fall auf die Radiowellen des Radiowellsenders 14a reagieren und wäre somit auffindbar. Dagegen wäre der Transponder 16 durch den Radiowellensender 14b in 5 nicht auffindbar, da er sich in falscher Ausrichtung zu diesem befindet. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, drei Radiowellensender 14a, 14b, 14c gemäß beispielsweise den 6a und 6b zu verwenden, die jeweils senkrecht zueinander angeordnet sind.In 4 the toroidal transmit/receive characteristic of a dipole antenna 14a is shown. In this case, a radio transponder 16 would react to the radio waves from the radio wave transmitter 14a and could therefore be found. In contrast, the transponder 16 would be in through the radio wave transmitter 14b 5 cannot be found because it is in the wrong orientation to it. For this reason, it is preferred to have three radio wave transmitters 14a, 14b, 14c according to, for example 6a and 6b to use, each of which is arranged perpendicular to one another.

7 zeigt, wie ein Instrumentenfreiheitsgrad verwendet werden kann, um den Empfangsbereich eines Radiowellensenders zu verändern. Hierbei wird ein Gelenk des Roboterarms verschwenkt. Vor dem Verschwenken (gestrichelte Linie) war das Reichweitenvolumen des Radiowellensenders 14a ein anderes als nach dem Verschwenken. Es kann somit ein Eingrenzen der Position des Funktransponders 16 auf Basis der räumlichen Überschneidung der erreichbaren Reichweitenvolumina des Funkwellensender 14a vor und nach seinem Bewegen erfolgen. 7 shows how an instrument degree of freedom can be used to change the reception range of a radio wave transmitter. Here, a joint of the robot arm is pivoted. Before pivoting (dashed line), the range volume of the radio wave transmitter 14a was different than after pivoting. The position of the radio transponder 16 can therefore be limited based on the spatial overlap of the reachable range volumes of the radio wave transmitter 14a before and after it is moved.

Eine Eingrenzung des Aufenthaltsortes des Funktransponders 16 durch zwei Radiowellensender 14a, 14b ist in 8 dargestellt. Wenn der Funktransponder 16 sowohl durch den Radiowellensender 14a im ersten Instrument wie auch dem Radiowellensender 14b im zweiten Instrument detektiert wird und der Sende-/ Empfangsbereich der beiden Radiowellensender 14a, 14b bekannt ist (gestrichelte Linien), kann die Position des Funktransponders 16 auf den Schnittbereich der beiden Reichweitenvolumina eingegrenzt werden. Durch Hinzunahme weiterer Radiowellensender und die Anpassung der Sendeleistung beziehungsweise weiterer Parameter der Funkwellensender kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung weiter erhöht werden.A limitation of the location of the radio transponder 16 by two radio wave transmitters 14a, 14b is in 8th shown. If the radio transponder 16 is detected by both the radio wave transmitter 14a in the first instrument and the radio wave transmitter 14b in the second instrument and the transmission/reception range of the two radio wave transmitters 14a, 14b is known (dashed lines), the position of the radio transponder 16 can be based on the cutting area of the two range volumes can be limited. By adding additional radio wave transmitters and adjusting the transmission power or other parameters of the radio wave transmitters, the accuracy of the position determination can be further increased.

Claims (9)

Robotersystem (10), mit einem Roboterarm (12) mit mindestens einem Radiowellensender (14a, 14b), mindestens einem passiven Funktransponder (16) zum Empfangen von Radiowellen vom Radiowellensender (14a, 14b) und zum Aussenden eines Funksignals unter Verwendung der Energie der empfangenen Radiowellen des Radiowellensenders (14a, 14b), wobei der Roboterarm (12) ferner einen Funksignalempfänger zum Empfangen der Funksignale des passiven Funktransponders (16) aufweist, wobei das Robotersystem (10) ferner eine Steuerung aufweist zum Bestimmen eines Abstands zwischen dem Radiowellensender (14a, 14b) und dem Funktransponder (16) in Abhängigkeit davon, ob der Funksignalempfänger das Signal des passiven Funktransponder empfangen hat oder nicht wobei dass die Abstandsmessung ausschließlich auf dem Empfangen einer gültigen Kennung des passiven Funktransponders (16) ohne eine Time-of-flight-Messung beruht.Robot system (10), with a robot arm (12) with at least one radio wave transmitter (14a, 14b), at least one passive radio transponder (16) for receiving radio waves from the radio wave transmitter (14a, 14b) and for emitting a radio signal using the energy of the received radio waves from the radio wave transmitter (14a, 14b), wherein the robot arm (12) further has a radio signal receiver for receiving the radio signals from the passive radio transponder (16), wherein the robot system (10) further has a controller for determining a distance between the radio wave transmitter (14a, 14b) and the radio transponder (16) depending on whether the radio signal receiver has received the signal from the passive radio transponder or not wherein the distance measurement is based exclusively on receiving a valid identifier of the passive radio transponder (16) without a time-of-flight measurement. Robotersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens 2 Radiowellensender (14a, 14b), wobei die Steuerung ausgebildet ist zum Eingrenzen der Position des Funktransponders (16) auf Basis der räumlichen Überschneidung der erreichbaren Reichweitenvolumina der beiden Radiowellensender (14a, 14b).Robot system Claim 1 , characterized by at least two radio wave transmitters (14a, 14b), the control being designed to limit the position of the radio transponder (16) based on the spatial overlap of the reachable range volumes of the two radio wave transmitters (14a, 14b). Robotersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ausgebildet ist zum Variieren der Senderichtung, Sendeleistung, Sendefrequenz, Sendeantennengeometrie, Spulenanzahl, Spulenkonfiguration und/ oder Spulenanordnung zum weiteren Eingrenzen der erreichbaren Reichweitenvolumina der Radiowellensender (14a, 14b).Robot system Claim 2 , characterized in that the control is designed to vary the transmission direction, transmission power, transmission frequency, transmission antenna geometry, number of coils, coil configuration and / or coil arrangement to further limit the achievable range volumes of the radio wave transmitters (14a, 14b). Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, durch mindestens drei jeweils senkrecht zueinander angeordnete Radiowellensender (14a, 14b), die insbesondere sequenziell aktivierbar sind.Robot system according to one of the Claims 1 until 3 , by at least three radio wave transmitters (14a, 14b), each arranged perpendicular to one another, which can be activated in particular sequentially. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders (16) relativ zu mindestens einem Radiowellensender (14a, 14b) in und/ oder an einem Roboterarm (12), insbesondere unter Verwendung eines Robotersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Aussenden von Radiowellen durch einen Radiowellensender (14a, 14b) in Richtung des Funktransponders (16), Bestimmen eines Abstands zwischen dem Radiowellensender (14a, 14b) und dem Funktransponder (16) in Abhängigkeit davon, ob ein Funksignalempfänger des Roboterarms Funksignale des passiven Funktransponders (16) empfängt oder nicht. wobei die Abstandsmessung insbesondere ausschließlich auf dem Empfangen einer gültigen Kennung des passiven Funktransponders (16) ohne eine Time-of-flight-Messung beruht.Method for determining the position of a radio transponder (16) relative to at least one radio wave transmitter (14a, 14b) in and/or on a robot arm (12), in particular using a robot system according to one of Claims 1 until 4 , wherein the method has the following steps: sending out radio waves through a radio wave transmitter (14a, 14b) in the direction of the radio transponder (16), determining a distance between the radio wave transmitter (14a, 14b) and the radio transponder (16) depending on whether a radio signal receiver of the robot arm receives radio signals from the passive radio transponder (16) or not. wherein the distance measurement is based in particular exclusively on receiving a valid identifier of the passive radio transponder (16) without a time-of-flight measurement. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Eingrenzen der Positionen des Funktransponders (16) auf Basis der räumlichen Überschneidungen der erreichbaren Reichweitenvolumina der beiden Radiosender (14a, 14b).Method for determining the position of a radio transponder Claim 5 , characterized by limiting the positions of the radio transponder (16) based on the spatial overlaps of the reachable range volumes of the two radio stations (14a, 14b). Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch ein Variieren der Senderichtung, Sendeleistung, Sendefrequenz, Sendeantennengeometrie, Spulenanzahl, Spulenkonfiguration und/ oder Spulenanordnung zum weiteren Eingrenzen der erreichbaren Reichweitenvolumina der Radiowellensender (14a, 14b).Method for determining the position of a radio transponder according to one of claims 5 or 6, characterized by varying the transmission direction, transmission power, transmission frequency, transmission antenna geometry, number of coils, coil configuration and / or coil arrangement to further limit the achievable range volumes of the radio wave transmitters (14a, 14b). Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch ein Aussenden von Radiowellen durch den Radiowellensender (14a, 14b) in Richtung des Funktransponders (16), Verändern der Position des Radiowellensenders (14a, 14b), insbesondere durch Bewegung des Roboterarms (12) in und/ oder an dem der Radiowellensender (14a, 14b) angebracht ist, erneutes Aussenden von Radiowellen durch den Radiowellensender (14a, 14b) in Richtung des Funktransponders (16), wobei sich hierbei sein erreichbares Reichweitenvolumen verändert hat, Eingrenzen der Position des Funktransponders (16) auf Basis der räumlichen Überschneidung der erreichbaren Reichweitenvolumina des Funkwellensenders (14a, 14b) vor und nach seinem Bewegen.Method for determining the position of a radio transponder according to one of the Claims 5 until 7 , characterized by sending out radio waves through the radio wave transmitter (14a, 14b) in the direction of the radio transponder (16), changing the position of the radio wave transmitter (14a, 14b), in particular by moving the robot arm (12) in and/or on the radio wave transmitter (14a, 14b) is attached, re-emission of radio waves by the radio wave transmitter (14a, 14b) in the direction of the radio transponder (16), whereby its achievable range volume has changed, limiting the position of the radio transponder (16) based on the spatial overlap the reachable range volumes of the radio wave transmitter (14a, 14b) before and after it is moved. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch ein weiteres Eingrenzen der Position des Funktransponders (16) durch Auswahl einer realistisch möglichen Position aus mehreren theoretisch möglichen Positionen des Funktransponders (16), wobei die Auswahl derart erfolgt, dass anhand historischer Werte von vergangenen Positionen des Funktransponders (16) die realistisch möglichen aktuellen Positionen des Funktransponders eingeschränkt werden.Method for determining the position of a radio transponder according to one of the Claims 5 until 8th , characterized by further limiting the position of the radio transponder (16) by selecting a realistically possible position from several theoretically possible positions of the radio transponder (16), the selection being made in such a way that the realistic one is based on historical values of past positions of the radio transponder (16). possible current positions of the radio transponder.
DE102021128885.1A 2021-11-05 2021-11-05 Robot system and a method for determining the position of a radio transponder Active DE102021128885B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021128885.1A DE102021128885B4 (en) 2021-11-05 2021-11-05 Robot system and a method for determining the position of a radio transponder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021128885.1A DE102021128885B4 (en) 2021-11-05 2021-11-05 Robot system and a method for determining the position of a radio transponder

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102021128885A1 DE102021128885A1 (en) 2023-05-11
DE102021128885B4 true DE102021128885B4 (en) 2024-02-29

Family

ID=86053276

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021128885.1A Active DE102021128885B4 (en) 2021-11-05 2021-11-05 Robot system and a method for determining the position of a radio transponder

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102021128885B4 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010035155A1 (en) 2010-08-23 2012-02-23 Amedo Smart Tracking Solutions Gmbh Position determination by means of RFID tags
DE102020102155A1 (en) 2020-01-29 2021-07-29 Sick Ag Security system and method for localization

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010035155A1 (en) 2010-08-23 2012-02-23 Amedo Smart Tracking Solutions Gmbh Position determination by means of RFID tags
DE102020102155A1 (en) 2020-01-29 2021-07-29 Sick Ag Security system and method for localization

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021128885A1 (en) 2023-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3103410B1 (en) Device and method for robot-assisted surgery
EP3103409B1 (en) Device for robot-assisted surgery and method for positioning the device
DE102008016146B4 (en) Operation assistance system for guiding a surgical auxiliary instrument
EP1872735B1 (en) Method for automatic identification of instruments during medical navigation
EP1923015B1 (en) Navigation system with markers for obtaining and depicting said markers' position
DE10346276B4 (en) System for the automated localization of lesions in the gastrointestinal tract for therapy with laser light of an endorobot
DE102005030398A1 (en) Method and device for determining an image plane for an intrapatient probe
EP3261564B1 (en) Set of medical instruments, and method
DE10207736B4 (en) Method for determining the position of a local antenna
EP0234198A1 (en) Process and apparatus for the contactless determination of temperature distribution within an object to be examined
DE102010037195A1 (en) System for detecting radio frequency transceivers and their uses
DE60314455T2 (en) DEVICE FOR COLLECTING BOTTOM RADARDATES WITH POLARIZATION INFORMATION
WO2004017093A1 (en) Sensor for transmitting and receiving electromagnetic signals
DE102008025538A1 (en) Calibration of a multi-level X-ray machine
DE102015209237A1 (en) Magnetic resonance apparatus and a method for positioning an object arranged on a patient support device within an isocenter of a magnetic resonance apparatus
DE102021128885B4 (en) Robot system and a method for determining the position of a radio transponder
DE102020001153B4 (en) Missile, in particular guided missile, with a radar sensor unit
DE19648338C2 (en) Device for tracking a target for a therapy device
WO2005076033A1 (en) Device for controlling the movement of a camera
DE102020123474A1 (en) Sensor, vehicle seat and related procedure
WO2008116595A2 (en) Hand-held robot-programming device
DE102018124432A1 (en) System and method for holding an image display device
DE102020107012A1 (en) Driver assistance system for the detection of external signals
EP3218152B1 (en) System with a medical instrument and recording means
EP3076199A1 (en) Method for calibrating a radar system

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01S0011020000

Ipc: G01S0013750000

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division