CN107107338A - 用于安全地联接和断开输入设备的方法 - Google Patents

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CN107107338A CN201580069052.7A CN201580069052A CN107107338A CN 107107338 A CN107107338 A CN 107107338A CN 201580069052 A CN201580069052 A CN 201580069052A CN 107107338 A CN107107338 A CN 107107338A
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Abstract

本发明涉及用于将输入设备(10)与操纵器(20)联接和断开的一种控制装置(30)和一种方法，其中，输入设备被设计用于控制操纵器。操纵器朝向一位置和方位(姿势22a，b)运动，该姿势对应于输入设备所命令的位置和方位(姿势12a，b)，输入设备所命令的姿势位于输入公差范围14之内，紧接着联接输入设备，其中，该联接允许将用户输入转换为操纵器运动。如果操纵器离开工作空间(24)或到达障碍空间(28)，则输入设备被断开，其中，在断开时用户输入不再直接被转换为操纵器运动。由此，在内窥镜手术过程中，可以将工作空间限制于安全的空间并安全地实施手术。

Description

用于安全地联接和断开输入设备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使输入设备与操纵器安全地联接和断开的方法，在此，该输入设备被设计用于控制操纵器并能够在已联接状态下控制操纵器。该方法和这样被控制的操纵器可以例如用于微创内窥镜手术。
背景技术
对于特别是在远程操作领域中的机器人技术的许多应用而言均需要输入设备，该输入设备应该能够平移或旋转运动。在远程操作过程中，检测输入设备的运动并将其转换为一个或多个操纵器的平移和/或旋转运动。
根据DIN EN ISO 8373，操纵器是指被自动控制的且可自由编程的多功能操纵器，其可关于三个或多个轴编程，并且为了应用于例如自动化技术领域中，其可以或者设置在固定的地点上，或者可运动地设置。操纵器引导夹具、工具或工件。操纵器也被用于医疗领域，例如用于微创手术。在医疗领域中，操纵器可以引导内窥镜器械并且对非常小的组织进行处理，或者通过保持和引导内窥镜来实现微创成像。
根据应用，可能需要在特定的时间点上或基于所发生的事件，例如基于失知制动开关(Totmannschalter)的信号或者由于操纵器离开工作空间，使得用户输入不再直接被转换为操纵器运动。这种从用户输入到操纵器运动的转换的中断在下文中被称为“断开”。相应地，在断开之后可能需要在特定的时间点上或者由于特定的事件而又允许将用户输入转换为操纵器运动。这在下文中被称为“联接”。
如果输入设备或操纵器的臂在断开状态期间运动，则输入设备的位置和方位(姿势)和操纵器的相应的命令位置和方位(姿势)就不再彼此同步。在该情况下，重新进行联接将导致操纵器不受控制地运动到当前由输入设备所命令的位置和方位(姿势)中。操纵器的这种不受控的运动对于安全运行来说是不期望的或不允许的。
位置是由关于所有三个平移自由度的数据来确定的，并因此确定了点在空间中的位置。方位是根据关于所有三个转动自由度的数据来确定的。对象的位置和方位的结合被称为姿势。为了确定点的姿势，需要为点配属三个空间轴。由此可以确定点的所有六个可能的自由度。
从文献EP1876505A1可知一种输入设备，其配备有带有马达或制动器的主动轴，用以防止输入设备在断开状态中运动。由此，输入设备也在断开之后保持目前的姿势。然而，这种带有主动轴的输入设备是昂贵的，其技术复杂并且容易出错。
发明内容
本发明的目的在于能够利用简单的设施使得输入设备与操纵器被安全地联接和断开。此外，该系统对于用户而言应当是能够直观操作的，并且能够实现尽可能快速、安全的联接。
本发明的目的通过一种根据本发明的权利要求1的、用于将输入设备与至少一个操纵器联接的方法，一种根据权利要求7的用于将输入设备与至少一个操纵器联接和断开的方法，以及一种根据权利要求14的相应控制装置和一种根据权利要求15的机器可读的介质来实现。
上述目的特别是通过一种用于联接输入设备与操纵器的方法来实现，在此，输入设备被设计用于控制操纵器，并且该方法包括以下方法步骤：
a)检查输入设备的输入点的姿势是否位于输入公差范围中，在此，输入设备的输入公差范围由操纵器的参考点的公差范围的映射(Abbildung)来确定，并且该输入公差范围直至输入设备与操纵器联接都是不改变的；
b)如果输入点的姿势位于输入公差范围中，则将操纵器的参考点运动到输入设备所命令的姿势；
c)在参考点达到所命令的姿势之后，将输入设备与操纵器联接。
通过根据本发明的用于使输入设备与至少一个操纵器联接的方法，能够实现快速而又安全的联接，因为该方法不需要用户去手动引导输入设备的输入点的姿势与操纵器的参考点的当前姿势一致。替代于此的，该方法允许操纵器通过执行一定的有限运动到达由输入设备当前命令的姿势。因此，一旦输入设备运动进入到输入公差范围中，操纵器就会为了实现简单、快速的联接而“迎合”输入设备。在此，操纵器的这种对应于输入设备的姿势的运动通过输入公差范围和与之相应的操纵器的参考点的公差范围被限制为一种安全的运动，使得尤其是在内窥镜手术或类似的应用中不能产生伤害。由此可以快速、直观而又安全地实现输入设备与操纵器的联接。
每个操纵器通常对应一个输入设备，该输入设备可沿平移和旋转轴运动。用户手动地引导输入设备的输入点，在此，测量输入设备的各个轴值(Achswerte)并由此计算出输入点在空间中的姿势。
输入点的位置变化通常被直接转换为操纵器的相应运动。在此，输入点的姿势与操纵器的参考点的姿势协调一致，该参考点相对于操纵器是固定的。优选地，操纵器的参考点是工具中心点(TCP)。如果操纵器到达障碍空间或操纵器工作空间的边界，则使操纵器停止运动并断开输入设备与操纵器。
为了重新实现联接，现在围绕操纵器的参考点计算确定一公差范围。对于平移运动而言，该公差范围可以具有任意的形状和大小。该公差范围的形状和大小特别是被选择为，参考点能够在该公差范围之内实现安全的平移运动。相应地可以测量该公差范围的大小。此外，关于参考点围绕其三个可能的空间轴的旋转运动，该公差范围还可以基于一定的容许角度偏差来限定，操纵器的参考点可以为了实现联接而基于该容许角度偏差旋转。据此，只有当一方面输入点的位置位于输入公差范围的空间边界之内，并且另一方面输入点的方位位于由该公差范围预先给定的容许角度偏差内时，操纵器才会运动到所命令的姿势。
此外，该公差范围在自动化技术中可以例如通过位于周围环境中的机器和工件来限定。在微创手术应用中，该公差范围可以例如附加地由位于参考点周围环境中的风险组织来限定，例如血管、神经束等。
操纵器的参考点的公差范围被映射到输入设备的输入点的输入范围，并由此来确定输入公差范围。因此，位于输入公差范围内的输入点的位置和容许角度偏差(输入点的容许方位)对应于操纵器一方的参考点在公差范围中的位置和容许角度偏差(方位)。
优选地，该方法包括以下其他的方法步骤：
d)检查输入点的姿势是否位于扩展输入公差范围之内和输入公差范围之外，在此，该扩展输入公差范围大于输入公差范围，并且在此，该扩展输入公差范围包括输入公差范围；
e)确定参考点的近似姿势，在此，该近似姿势位于参考点的公差范围之内，并且该近似姿势相对于由输入设备命令的参考点的姿势具有最小偏差；
f)当输入点位于扩展输入公差范围之内并且位于输入公差范围之外时，操纵器的参考点朝向近似姿势运动；和
g)在参考点到达近似姿势之后，将输入设备与操纵器联接。
由于操纵器的参考点在向近似姿势运动的过程中没有离开公差范围，因此该运动是安全的。
该扩展输入公差范围使得能够实现简化的联接，因为该扩展输入公差范围大于输入公差范围，并因此易于被用户找到。对于平移运动而言，该扩展输入公差范围可以具有任意的形状和大小，但是大于输入公差范围的空间范围并完全包括输入公差范围。相应地，该扩展输入公差范围关于旋转运动完全包括输入公差范围的容许角度偏差并限定了扩展的角度偏差，该扩展的角度偏差允许将更大的角度偏差作为输入公差范围的角度偏差。
即使利用该扩展的输入公差范围，联接也是安全的，因为操纵器的参考点仅在其通常的公差范围中运动到所命令的姿势。当操纵器的参考点到达近似姿势时，则联接已经发生。因此不再需要使操纵器的参考点到达由输入设备命令的精确姿势。在此改变了输入设备的输入点到操纵器的参考点的映射。该映射的改变可以涉及到输入设备所有的轴，并且不仅是平移的而且还是旋转的，或者是二者的任意组合。对于用户而言，输入设备所命令的姿势与操纵器的参考点之间的错位在操作过程中是不明显的，并且还往往是觉察不到的。
在最简单的情况下，扩展输入公差范围优选与按照扩展因子放大的输入公差范围相符。然而，该扩展输入公差范围不必是与输入公差范围同中心的。扩展角度偏差对于方向相反的旋转运动而言也不必是相同的。例如，用于旋转运动的扩展输入公差范围所允许的扩展角度偏差沿顺时针方向为继续5°，而沿逆时针方向的旋转运动则仅允许继续2°。另外，还允许输入公差范围和扩展输入公差范围具有至少部分全等的边缘或部分全等的角偏差。
优选地，该方法还包括下述方法步骤：在使操纵器的参考点运动的步骤之前，检查操纵器的参考点的姿势在输入设备所命令的姿势或近似姿势下是否会侵犯障碍空间。障碍空间是指从技术上说位于可能的工作空间中但不允许操纵器进入或驶过的区域。这种对是否侵犯障碍空间的附加检查提高了该方法的应用安全性。操纵器可以据此例如停止或者绕行障碍空间。
优选地，该方法还包括以下方法步骤：如果输入点在到达所命令的姿势之前离开输入公差范围，则中止方法步骤b)中的操纵器的参考点向输入设备所命令的姿势的运动；并且如果输入点在到达近似姿势之前离开扩展输入公差范围，则中止方法步骤f)中的操纵器的参考点向近似姿势的运动。
输入点可以通过旋转或平移运动离开输入公差范围和扩展输入公差范围。由于输入点离开输入公差范围或扩展输入公差范围而导致的参考点运动的中止能够防止操纵器在尚未联接的情况下不受控地跟随输入设备。只有在输入点位于输入公差范围或扩展输入公差范围中时，操纵器的参考点才应被允许运动到联接姿势。
优选地，公差范围、输入公差范围和/或扩展输入公差范围的形状和/或大小可以取决于至少一个其他的系统参数，该系统参数包括操纵器的速度、探测范围(该探测范围使得能够实现对操纵器的参考点的位置和/或方位的他探测)、作用在操纵器的参考点上的力或力矩、基于周围环境的数据所确定的障碍空间和/或操纵器的工作空间的边界。
公差范围的大小可以根据操纵器系统的环境条件和边缘条件加以调整，从而仅允许通过安全的运动来进行联接。
当操纵器速度较高时，可以将公差范围例如确定为小于速度较低时的公差范围。
在探测范围之内，可以确定操纵器的参考点的位置和/或方位。如果在微创手术(例如内窥镜手术)中使用操纵器，则探测范围可以例如是内窥镜的可视范围。在自动化技术领域中，探测范围可以例如是相机或其他传感系统的可视范围。根据探测范围调整公差范围、输入公差范围和可能的扩展输入公差范围的形状和大小是有利的，因为由此可以使操纵器在联接过程留在探测范围内并且不对传感系统进行重新取向。
另外，作用在操纵器参考点上的力和/或力矩也可能影响到探测范围的形状和大小。当超过了参考点上的最大力或最大力矩时，可以相应地优选动态地调整探测范围。这对于可预料到只有高于一定的力或力矩时才造成损害的情况是有利的。
如果操纵器被使用在微创手术(例如内窥镜手术)中，则可以基于环境数据，例如基于内窥镜图像、X射线图像或其他的图像数据来确定障碍空间。该障碍空间也可以影响到公差范围的形状和大小。
优选地，该方法还可包括以下方法步骤：自动地确定扩展输入公差范围，在此，该扩展输入公差范围与按照扩展因子放大的输入公差范围相符。因此，可以非常容易地根据输入公差范围计算得出扩展输入公差范围。在此，优选可以预先设定扩展输入公差范围的绝对最小值，从而即使在公差范围非常小的情况下也能够容易地实现联接。
本发明的目的还通过一种用于使输入设备与操纵器联接和断开的方法来实现，在此，该输入设备被设计用于控制至少一个操纵器，并且该方法包括以下方法步骤：
a)如果操纵器的参考点到达障碍空间或工作空间的边界，则将输入设备与操纵器断开；
b)更新输入设备的输入点的姿势与操纵器的参考点的姿势的对应关系，在此，输入点的当前姿势对应于操纵器的参考点的最后被允许的姿势；
c)检查输入设备所命令的操纵器参考点的姿势按照所更新的对应关系是否位于障碍空间之外和工作空间之内；
d)如果输入设备所命令的操纵器参考点的姿势位于障碍空间之外和工作空间之内，则联接输入设备与操纵器。
将输入设备与该至少一个操纵器断开，以确保操纵器不能被用户运动到障碍空间中，而是停在障碍空间的边界上。到达障碍空间和到达工作空间的边界被优选用于分析旋转运动和/或平移运动。因此也可以例如确保：在内窥镜手术中，工具或者内窥镜始终在同一个点穿过患者的皮肤或腹壁。
当输入设备沿离开障碍空间的方向运动时，通过连续地更新输入设备输入点的姿势相对于操纵器参考点的最后允许姿势的对应关系，以及随后检查输入设备所命令的操纵器参考点的姿势现在是否又位于障碍空间之外和工作空间之内，能够实现输入设备与操纵器的联接。因此，只要输入设备的运动是在有效的方向上进行，即，在离开障碍空间且指向工作空间内部的方向上，则可以基于输入设备的任何位姿来联接。
该方法的另一个优点是：在用户使输入设备在断开之后沿无效的方向或者以无效的旋转继续运动直至受到机械止挡的情况下，操纵器的障碍空间的边界将自动匹配输入设备的运动空间的边界。通过这种方式，可以充分地利用输入设备的运动空间来远程控制操纵器。
优选以离散的时间步长检查输入设备所命令的操纵器参考点的姿势是否位于障碍空间之外和工作空间之内。因此需要连续不断地查询输入设备的位姿。
优选地，根据输入设备所命令的操纵器参考点的姿势的最小变化，来检查输入设备所命令的操纵器参考点的姿势是否位于障碍空间之外和工作空间之内。这种最小变化是有利的，因为可以因此避免由最小运动所导致的意外联接和断开，这些最小运动例如可能是由用户的震颤或由信号噪声产生的。
优选地，操纵器的速度取决于至少一个系统参数，该系统参数包括：
a)能够对操纵器参考点的位置和/或方位进行探测的探测范围，
b)作用于操纵器参考点上的力或力矩，
c)根据环境数据所确定的障碍空间和/或
d)操纵器的工作空间的边界。
为了实现操纵器的安全运动，操纵器的速度优选取决于至少一个系统参数，在此，该系统参数是能够对操纵器参考点的位置和/或方位进行探测的探测范围。操纵器的速度也可取决于操纵器的工作空间的边界。该系统参数可以是作用在操纵器的参考点上的力或力矩，和/或系统参数包括根据环境数据所确定的障碍空间。因此，可以根据操纵器针对联接可能进行的运动来调整操纵器的、特别是特定于其参考点的速度，以实现尽可能快速、安全的联接。
优选地，输入设备的输入点的姿势的变化相对于操纵器的参考点的变化的转换比为i≥1，优选i＝2至10，更优选i＝3至5。特别是在内窥镜手术中，利用该转换比将输入设备的大的运动转换成操纵器的小的运动，从而能够实现更精细的手术步骤。
优选地，该方法还可以包括自动调整转换比的方法步骤。在此，转换比优选取决于至少一个上述的系统参数。
转换比规定了输入设备的输入点的姿势的变化大小相对于操纵器的参考点的姿势的变化大小的关系，其可以由用户手动地确定并且也可以被改变。这特别是有利于操纵器在特定场合下需要实施非常小的运动的情况。转换比也可以被自动地调整。有利的是，对于平移运动和旋转运动而言，转换比可以独立地被调整。例如，优选平移运动是以i≥1的转换比转换，而转动运动是以i＝1的转换比转换。对转换比的调整原则上优选根据相应的应用来调整。如果操纵器例如应该在被障碍空间包围的区域中运动，并且该障碍空间仅允许非常小的活动余地，则可以自动地提高转换比。用户将由此实现对操纵器更好的控制。
优选地，输入设备给出触觉、视觉或听觉的反馈，在此，输入设备的反馈表明参考点已到达障碍空间，和/或输入设备与操纵器被联接或断开，和/或输入设备的输入点离开输入公差范围和/或离开扩展输入公差范围和/或离开对应的操纵器参考点的允许姿势。
触觉的反馈可以例如通过力反馈或输入设备的震动来实现。视觉反馈可以例如显示在显示器上或者以视觉信号的形式(例如借助LED)显示给用户。听觉反馈可以例如通过音调、音量或频率的变化来实现。触觉反馈、视觉反馈或听觉反馈的组合同样是优选的。
优选地，由输入设备所命令的操纵器的参考点的姿势可以通过图像展示给用户，并且被虚拟地叠加在操纵器的参考点的实际姿势上。由此，输入者可以通过图像跟踪其对输入设备的输入，由此可以实现更好的人体工程学和更快的联接。
本发明的目的还通过一种控制装置来实现，该控制装置借助于用于执行上述方法的输入设备来控制至少一个操纵器，在此，该控制装置被设计用于接收输入设备的输入并控制操纵器。
本发明的目的还通过一种机器可读的介质来实现，该介质存储指令，在通过控制装置执行这些指令时，控制装置基于输入设备的输入并根据上述方法来控制操纵器。
附图说明
下面参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。其中：
图1示出了一操纵器系统的示意图，其具有输入设备、操纵器和控制装置；
图2示出了根据图1的操纵器系统的示意图，其具有示意性示出的公差范围和输入公差范围；
图3示出了根据图2的操纵器系统的示意图，其具有示意性示出的扩展输入公差范围；和
图4a-图4c示出了根据图1的操纵器系统在不同时间的示意图，其具有示意性示出的障碍空间以及输入设备的输入点的和操纵器的参考点的不同姿势。
具体实施方式
图1示出了操纵器系统1，其包括输入设备10、操纵器20和控制装置30。用户可以通过手动移动输入设备10来远程控制(遥控)操纵器20。
输入设备10优选沿三个平移轴和三个旋转轴来运动。因此，用户可以确定相对于输入设备10被固定定义的输入点12的位置和方位(合在一起就是姿势)。至少将输入点12的被这样定义的姿势或姿势变化发送给控制装置30并被其接收。控制装置30将输入点12的姿势变化转换为操纵器20的参考点22的相应姿势变化。参考点22相对于操纵器20是固定的。优选操纵器的参考点是操纵器的腕点(HWP)或工具中心点(TCP)，该工具中心点位于操纵器所引导对象的合适部位上。该对象可以例如是医疗器械、工具、工件或传感器。例如，可以将TCP定义为操纵器所引导的手术刀的尖端。
如图1所示，输入设备10的轴和节肢的数量不必与操纵器20一致。如果操纵器20的轴和节肢的数量与输入设备10的轴和节肢的数量不同，则可以计算得到操纵器的有效位姿，在该位姿中，操纵器20的参考点22的姿势对应于输入设备10所命令的姿势。操纵器的位姿是基于操纵器的轴的各个轴值得到的。
图2示出了根据图1的操纵器系统1，其中例如示出了输入设备10的输入点12的三个姿势(12a，12b和12c)。输入设备10的输入点12的姿势12a、12b和12c对应于操纵器的参考点22的三个姿势22a、22b和22c。围绕参考点22定义公差范围24，该公差范围在图2中针对参考点的平移运动就相当于一个球，该球的中心点就在参考点22上。在此没有示出旋转公差范围，也就是容许角度偏差，但它是存在的。公差范围24被选择为：操纵器20的参考点22在公差范围24之内的运动可以被视为安全的。参考点22的公差范围24被映射到输入设备10的输入点12的输入范围，从而得出相应的输入公差范围14。
在输入点12的姿势12a中和对应的参考点22的姿势22a中，输入设备10会与操纵器20断开。之后，输入设备10的输入点12的姿势变化不再被转换为操纵器20的运动。操纵器20的参考点22保持在姿势22a上。如果用户使输入设备10的输入点12在断开状态下运动到例如输入点12的姿势12c中，则会下达关于操纵器20的参考点22的姿势22c的命令。但是参考点22的姿势22c位于公差范围24之外。在这种情况下，联接是不可能的，因为不能保证操纵器20的参考点22能够安全地自动从姿势22a运动到姿势22c。因此，操纵器20不会运动并且参考点22将保持在安全的姿势22a中。
如果用户现在使输入设备10的输入点12例如运动到位于公差范围14内的姿势12b，则相应地下达关于姿势22b的命令。该姿势22b位于公差范围24之内，并由此使得操纵器20向姿势22b的自动运动被认为是安全的。相应地现在进行操纵器20的参考点22向所命令的姿势22b的运动。出于安全原因，这优选以定义的速度来进行。由此，操纵器20自动地运动，使得其参考点22迎合输入设备10的输入点12而到达所命令的姿势22b。如果参考点22最终到达姿势22b，则输入设备10与操纵器20联接。用户现在可以通过手动运动输入设备10来远程控制(遥控)操纵器20，直至重新断开。通过使操纵器20迎合被命令的姿势，可以比下述情况更快、更容易地实现联接：在该情况下，用户必须将操纵器20的参考点22的当前姿势或位置与输入设备10准确地相合。
图3示出了根据图2的操纵器系统1，在此，输入公差范围14被增补了扩展输入公差范围16。对于平移运动，扩展输入公差范围16优选与输入公差范围14是同中心的，并且优选与按照扩展因子放大的输入公差范围14相符。用于旋转运动的扩展输入公差范围，也就是扩展角度偏差在此未示出，但它是存在的。在所示出的输入点12的姿势12a和对应的参考点22的姿势22a中，输入设备10会与操纵器20断开。在断开状态期间，用户例如使输入设备10的输入点12运动到姿势12c。输入点12的姿势12c对应于所命令的参考点22的姿势22c。但是，参考点22的姿势22c位于公差范围24之外，因此不能确保参考点22从姿势22a安全地运动到所命令的姿势22c，并且不可能实现上述的联接。此外，姿势12c也位于扩展输入公差范围16之外。因此，操纵器20的参考点22将保留在姿势22a中。
如果用户现在使输入点12运动进入到扩展输入公差范围16中，在此例如为到达姿势12e，则计算参考点22在公差范围24内的近似姿势22d，该近似姿势相对于所命令的参考点22的姿势22e具有最小的距离。参考点22向近似姿势22d的运动可以被视为安全的，因为该近似姿势位于公差范围24之内。相应地，操纵器20运动，使得其参考点22运动到近似姿势22d。
如果参考点22到达近似姿势22d，则输入设备10与操纵器20联接，并且参考点22的近似姿势22d对应于输入点12的姿势12e。紧接着，输入设备10利用该新的映射操控操纵器20。该映射现在有错位，该错位对应于被精确命令的参考点22的姿势22e与近似姿势22d的偏差。该错位既可表现为平移偏差，又可表现为旋转偏差。在该联接方法中，当输入点12已经进入扩展输入公差范围16时，操纵器20的参考点22将迎合输入设备10的输入点12，例如允许参考点22的公差范围24并允许以位移后的对应关系进行联接。由此，可以更快、更简单地进行输入设备10与操纵器20的安全联接。
图4a至图4c示出了在到达连续的时间点t＝1、t＝2和t＝3时的操纵器系统1。输入点12和参考点22的对应姿势以相同的字母表示。例如，输入点12的姿势12w对应于参考点22的姿势22w。图4a-图4c分别示出了操纵器20和输入设备10的以虚线表示的初始位置和操纵器20和输入设备10的以实线表示的结束位置。在前面图中示出的结束位置对应于后面图中示出的初始位置。运动用箭头示意性地示出。在图4a-图4c中还示意性示出了障碍空间28，该障碍空间不允许被操纵器20的参考点22侵犯。
如图4a所示，在时间点t＝1时，用户使输入设备10的输入点12从姿势12w运动到姿势12x，并因此命令参考点22从姿势22w运动到姿势22x。该运动是允许的，因为参考点22的姿势22x不侵犯障碍空间28。姿势22x正好位于障碍空间28的边界上。
如图4b所示，在时间点t＝2时，用户使输入设备10的输入点12从姿势12x运动到姿势12y。姿势12y对应于参考点22的姿势22y，在该姿势下，参考点22会侵犯障碍空间28。操纵器20在参考点22的姿势22y中的位姿用点线表示。控制装置30识别出对障碍空间28的潜在侵犯，并且输入设备10与操纵器20断开。相应地，实际被命令的参考点从姿势22x到姿势22y的运动未被操纵器20执行。操纵器20的参考点22保持在姿势22x。由于输入设备10现在与操纵器20是断开的，因此用户不能在通过手动运动输入设备10来远程控制操纵器20。
但是，输入设备10在断开状态下也可自由运动。以固定的时间间隔检测输入点12的姿势，并首先检查所命令的参考点22的姿势是位于障碍空间28之内还是之外。在如图4b所示的情况下，输入点12会运动到姿势12y。由于对应的姿势22y如上所述地位于障碍空间28之内并且不能进入，故而现在输入点12的姿势12y就对应于最后被允许的姿势，在此是参考点22的姿势22x。因此，输入点12的当前姿势在对应关系被更新之后总是对应于参考点22的最后被允许的姿势。
如图4c所示，在时间点t＝3时，用户使输入设备10的输入点12从姿势12y运动到姿势12z。由于参考点22的最后被允许的姿势22x是对应于姿势12y，因此所命令的参考点22的新姿势22z就对应于位于障碍空间28之外的姿势。所以在时间点t＝3时输入设备10可以与操纵器20联接，并且输入设备10可利用改变的对应关系来远程控制操纵器20。通过不断地更新输入点12的姿势相对于参考点22的最后允许姿势的对应关系，一旦输入点12以离开障碍空间28的方向或旋转来运动，则输入设备10就可与操纵器20联接。由此可以实现快速的联接。因此在该联接方法中，需要不断改变输入设备10和操纵器20在断开状态中的对应关系，直至该对应关系在联接中被固定。
上述的平移运动仅用于简单地表述该联接方法。但是，操纵器同样可以执行旋转运动和/或执行平移运动与转动运动的组合，并且在此可以通过相应的方式来使用优选的方法进行联接。
附图标记列表
1 操纵器系统
10 输入设备
12 输入点
12a，b，c，e w，x，y，z 输入点12的姿势
14 输入公差范围
16 扩展输入公差范围
20 操纵器
22 参考点
22a，b，c，e，w，x，y，z 参考点22的姿势
24 参考点22的公差范围
28 障碍空间
30 控制装置。

Claims (15)

1.一种用于联接输入设备(10)与操纵器(20)的方法，其中，所述输入设备(10)被设计用于控制所述操纵器(20)，并且该方法包括以下方法步骤：
a)检查所述输入设备(10)的输入点(12)的姿势是否位于输入公差范围(14)之内，其中，所述输入设备(10)的输入公差范围(14)通过对所述操纵器(20)的参考点(22)的公差范围(24)的映射来确定，并且该输入公差范围(14)直到所述输入设备(10)与所述操纵器(20)联接都是不变的；
b)如果所述输入点(12)的姿势位于所述输入公差范围(14)之内，则将所述操纵器(20)的参考点(22)运动到由所述输入设备(10)命令的姿势(22b)；
c)在所述参考点(22)到达所命令的姿势(22b)之后，使所述输入设备(10)与所述操纵器(20)联接。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下方法步骤：
d)检查所述输入点(12)的姿势是否位于扩展输入公差范围(16)之内和位于所述输入公差范围(14)之外，其中，所述扩展输入公差范围(16)大于所述输入公差范围(14)，并且其中，所述扩展输入公差范围(16)包括所述输入公差范围(14)；
e)确定所述参考点(22)的近似姿势(22d)，其中，该近似姿势(22d)位于所述参考点(22)的公差范围(24)之内，并且该近似姿势(22d)相对于由所述输入设备(10)命令的所述参考点(22)的姿势(22b)具有最小的偏差；
f)如果所述输入点(12)的姿势位于所述扩展输入公差范围(16)之内并且位于所述输入公差范围(14)之外，则将所述操纵器(20)的参考点(22)运动到所述近似姿势(22d)；
g)在所述参考点(22)到达所述近似姿势(22d)之后，使所述输入设备(10)与至少一个操纵器(20)联接。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，在使所述操纵器(20)的参考点(22)运动的步骤之前，所述方法还包括以下方法步骤：
h)检查所述操纵器(22)的参考点(22)的姿势在由所述输入设备命令的姿势(22b)中或所述近似姿势(22d)中是否侵犯障碍空间(28)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果所述输入点(12)在到达所命令的姿势(22b)之前离开所述输入公差范围(14)，则中止方法步骤b)中的所述操纵器(20)的参考点(22)朝向由所述输入设备(10)命令的姿势(22b)的运动，并且其中，如果所述输入点(12)在到达所述近似姿势(22d)之前离开所述扩展输入公差范围(16)，则中止方法步骤f)中的所述操纵器(20)的参考点(22)朝向所述近似姿势(22d)的运动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述公差范围(24)、所述输入公差范围(14)和/或所述扩展输入公差范围(16)的形状和/或大小取决于至少一个另外的系统参数，该系统参数包括：
a)所述操纵器(20)的速度，
b)能够探测所述操纵器(20)的参考点(22)的位置和/或方位的探测范围，
c)作用在所述操纵器(20)的参考点(22)上的力或力矩，
d)根据环境数据确定的障碍空间(28)和/或
e)所述操纵器的工作空间的边界。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括以下方法步骤：
-自动确定所述扩展输入公差范围(16)，其中，所述扩展输入公差范围(16)与按照扩展因子放大的输入公差范围(14)相符。
7.一种用于联接和断开输入设备(10)与操纵器(20)的方法，其中，所述输入设备(10)被设计用于控制所述操纵器(20)，并且该方法包括以下方法步骤：
a)如果所述操纵器(20)的参考点(22)到达障碍空间(28)或工作空间的边界，则将所述输入设备(10)与所述该操纵器(20)断开；
b)更新所述输入设备(10)的输入点(12)的姿势与所述操纵器(20)的参考点(22)的姿势的对应关系，其中，所述输入点的当前姿势(12y)对应于所述操纵器(20)的参考点的最后被允许的姿势(22x)；
c)检查由所述输入设备(10)命令的所述操纵器(20)的参考点(22)的姿势(22y；22z)在该被更新的对应关系下是否位于所述障碍空间(28)之外和所述工作空间之内；
d)如果由所述输入设备(10)命令的所述操纵器(20)的参考点(22)的姿势(22y；22z)位于所述障碍空间(28)之外和所述工作空间之内，则将所述输入设备(10)与所述操纵器(20)联接。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，以离散的时间步长检查：由所述输入设备(10)命令的所述操纵器(20)的参考点(22)的姿势(22y；22z)是否位于障碍空间(28)之外和所述工作空间之内。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的方法，其中，根据由所述输入设备(10)命令的所述操纵器(20)的参考点(22)的姿势的最小变化，检查由所述输入设备(10)命令的所述操纵器(20)的参考点(22)的姿势(22y；22z)是否位于所述障碍空间(28)之外和所述工作空间之内。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述操纵器(20)的速度取决于至少一个系统参数，该系统参数包括：
a)能够探测所述操纵器(20)的参考点(22)的位置和/或方位的探测范围；
b)作用在所述操纵器(20)的参考点(22)上的力或力矩；和/或
c)根据环境数据确定的障碍空间(28)；
d)所述操纵器(20)的工作空间的边界。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述输入设备(10)的输入点(12)的姿势的变化相对于所述操纵器(20)的参考点(22)的姿势的变化的转换比为i≥1，优选i＝2至10，更优选i＝3至5。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还具有给出触觉的、视觉的或听觉的反馈的步骤，其中，所述反馈表明：
所述参考点(22)到达障碍空间(28)，和/或
所述输入设备(10)与所述操纵器(20)联接或断开，和/或
所述输入设备(10)的输入点(12)离开输入公差范围(14)和/或离开扩展输入公差范围(16)和/或离开所述操纵器(20)的参考点(22)的相应被允许的姿势。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还具有以下步骤：
图像地示出由所述输入设备(10)命令的所述操纵器(20)的参考点(22)的姿势，并且该命令的姿势被虚拟地叠加在所述操纵器(20)的参考点(22)的实际姿势上。
14.一种控制装置(30)，其借助用于执行根据权利要求1至13所述方法的输入设备(10)来控制至少一个操纵器(20)，其中，所述控制装置被设计用于接收所述输入设备(10)的输入和控制所述操纵器(20)。
15.一种机器可读的介质，该介质存储指令，在通过控制装置(30)执行这些指令时，所述控制装置(30)基于输入设备(10)的输入并根据权利要求1至13中任一项所述的方法来控制操纵器(20)。
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