DE102005054575B3 - Verfahren zur Regelung eines Roboterarms sowie Roboter zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Regelung eines Roboterarms sowie Roboter zur Durchführung des Verfahrens

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DE102005054575B3
DE102005054575B3 DE102005054575A DE102005054575A DE102005054575B3 DE 102005054575 B3 DE102005054575 B3 DE 102005054575B3 DE 102005054575 A DE102005054575 A DE 102005054575A DE 102005054575 A DE102005054575 A DE 102005054575A DE 102005054575 B3 DE102005054575 B3 DE 102005054575B3
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Alin Dr.-Ing. Albu-Schäffer
Ulrich Dipl.-Ing. Hagn
Tobias Dr.-Ing. Ortmaier
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Abstract

Bei einem Verfahren zur Regelung eines Roboterarms beim Einsatz in der Medizin wird ein Roboterarm (10) mit einer redundanten Gelenkeanzahl verwendet. Ein in zumindest einem Gelenk (12a, 12b) wirkendes Drehmoment wird erfasst. Mit Hilfe einer Steuereinrichtung wird das in diesem Gelenk (12a, 12b) wirkende Drehmoment im Wesentlichen auf Null geregelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Roboterarms beim Einsatz in der Medizin. Ferner betrifft die Erfindung einen Roboter zur Durchführung des Verfahrens.
  • Bei Robotern, die mit einer dynamischen Umgebung interagieren sollen, lassen sich, sofern eine geeignete Modellierung der Umgebung nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich ist, mit reinen Positionsregelungen oder reinen Kraftregelungen nur unzufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Vermeidung von Kollisionen erzielen. Die prädiktive Modellierung der Umgebung ist insbesondere in medizinischen Anwendungen nur sehr schlecht möglich.
  • Das nicht oder nur sehr ungenau prädizierbare Geschehen während medizinischer Anwendungen, sowie die dort herrschende Platznot führt zu einer erhöhten Kollisionswahrscheinlichkeit beim Einsatz medizinischer Roboter. Zum einen kann keine ausreichend detaillierte und dem tatsächlichen Geschehen entsprechend flexible präoperative Planung zur Kollisionsvermeidung durchgeführt werden, zum anderen können durch die enge Interaktion des Roboters mit Patient und Arzt notwendige Sicherheitsbereiche wie in der Industrierobotik (workcell) nicht ausgewiesen werden. Daraus resultiert, dass die Gefahr von Kollisionen während des Roboterbetriebes erkannt und mit entsprechenden Methoden vermieden werden muß. Bei festgelegter Roboterbasis und einem im Eingriff befindlichen Roboterendeffektor, der somit zum Teil oder vollständig festgelegt ist, kann eine drohende Kollision etwa des Ellenbogen eines Roboters mit einem anderen feststehenden Objekt nur durch Stoppen des Roboters vermieden werden. Ein Ausweichen des Ellenbogens, während der Roboterendeffektor seine Position und Orientierung beibehält, ist nicht möglich.
  • Beispielsweise bei der Anwendung von Robotern in minimal invasiven Anwendungen der Medizin führt ein Roboterarm dünne lange Instrumente, die durch kleine natürliche oder künstliche Eröffnungen des Patientenkörpers eingeführt werden. Es muss gewährleistet werden, dass die Kontaktkräfte tangential zur Patientenoberfläche am Eröffnungspunkt minimiert werden, um Verletzungen der Eröffnungen zu unterbinden. Da der Eröffnungspunkt durch Atmung und Patientenbewegung in Relation zum Roboter variabel ist, wird eine Funktionalität benötigt, die es ermöglicht unabhängig von und ohne Kenntnis der Position dieses Eröffnungspunktes, die beschriebenen Kräfte zu minimieren.
  • Die entsprechende Problematik besteht auch in anderen, beispielsweise industriellen Anwendungen, bei denen ein Roboter bei wenig Platz eingesetzt wird und/oder sich empfindliche Bauteile und dgl. in der Umgebung des Roboters befinden. Insbesondere besteht die vorstehend beschriebene Problematik beispielsweise wenn ein von einem Roboterarm getragenes Instrument wie ein Werkzeug, eine Kamera oder dergleichen, durch eine Öffnung in das Innere einer Vorrichtung wie beispielsweise einer Turbine geführt wird. Diese Öffnung kann technisch mit der Eröffnung des Patienten gleichgesetzt werden bzw. muss bei der Regelung berücksichtigt werden.
  • In der US 5,382,885 A ist ein Master Slave Robotersystem für Anwendungen in der Meidzintechnik beschrieben. Sowohl das Eingabegerät (Master) als auch der Slave-Roboter sind auf einen weiteren dritten Roboter montiert, um den Arbeitsbereich zu erweitern. Beide Arme führen eine synchronisierte skalierte Bewegung aus. Externe Kräfte werden durch eine Rückführung von Kraftinformationen in Form einer Nachgiebigkeitsregelung berücksichtigt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms zu schaffen, durch das die Gefahr von Kollisionen und/oder die auf Öffnungen wirkenden Kräfte verringert sind. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines Roboterarms wird ein Roboterarm mit einer redundanten Gelenkeanzahl verwendet. Die einzelnen Gelenke sind üblicherweise über Verbindungselemente miteinander verbunden. Über Aktuatoren, wie Getriebe und Stellelemente, die mit den Gelenken und/oder den Verbindungselementen verbunden sind, wird der Roboterarm bewegt. Mit Hilfe eines Drehmomentsensors wird ein in zumindest einem Gelenk wirkendes externes Drehmoment erfasst. Hierzu kann ein Drehmomentsensor im Gelenk selbst vorgesehen sein und/oder an einem mit dem Gelenk verbundenen Verbindungselement angeordnet sein. Das in dem mindestens einen Gelenk wirkende Drehmoment wird erfasst und an eine Steuereinrichtung übermittelt. Mit Hilfe der Steuereinrichtung werden die Akutatoren des Roboterarms, wie die Getriebe, die Stellelemente und dgl., derart angesteuert, dass in zumindest diesem einen Gelenk das externe oder Interaktions-Drehmoment im Wesentlichen auf Null geregelt wird. Hierbei werden vorzugsweise die durch Gravitation erzeugten Momente berücksichtigt, insbesondere modelbasiert berechnet und von dem gemessenen Gesamtmoment subtrahiert. Erfindungsgemäß handelt es sich somit um eine aktive Regelung des Roboterarms im Bereich eines hinsichtlich Kollisionen und dgl. kritischen Bereichs, bei dem es sich insbesondere um eine Eröffnung in einem Patienten handelt, wobei hier die auf die Eröffnung einwirkenden Kräfte erfindungsgemäß reduziert sind.
  • Die drei gängigen Methoden, die im Gegensatz zu einer Positions- oder Kraftregelung eine Regelung des dynamischen Verhaltens in kartesischen Koordinaten erlauben, sind die Impedanzregelung, die Admittanzregelung und eine Impedanzprojektion.
  • Die Impedanzregelung basiert auf einer vorhandenen Drehmomentenregelung auf Gelenkebene. Es werden die Abweichung der Roboter-Position von einer definierten Solllage gemessen und entsprechend des gewünschten dynamischen Verhaltens eine gewünschte verallgemeinerte Kraft (Kräfte und Momente) bestimmt. Diese Kraft wird über die bekannte Kinematik des Roboters auf entsprechende Gelenk-Drehmomente abgebildet. Die Drehmomente werden schließlich über die unterlagerte Drehmomentenregelung eingestellt.
  • Die Admittanzregelung basiert im Gegensatz zur Impedanzregelung auf einer vorhandenen Positionsregelung des Roboters auf Gelenkebene. Hier müssen die von außen auf den Roboter einwirkenden verallgemeinerten Kräfte gemessen werden. Ausgehend von diesen Kräften wird eine, dem gewünschten dynamischen Verhalten entsprechende, Bewegung des Roboters bestimmt, die über eine inverse Kinematik und die unterlagerte Positionsregelung an den Roboter kommandiert wird.
  • Die sogenannte Impedanzprojektion stellt eine weitere Methode dar, um ein gewünschtes dynamisches Verhalten zu erzielen. Hierbei wird vorausgesetzt, dass es möglich ist, die Gelenk-Impedanz, also das dynamische Verhalten des Roboters in Gelenk-Koordinaten, zu regeln. Im Gegensatz zur Impedanz- und Admittanzregelung, in denen Kräfte und Positionen auf die jeweiligen Grössen in Gelenk-Koordinaten abgebildet werden, erfolgt bei der Impedanzprojektion eine Projektion der verschiedenen Parameter, die das gewünschte Verhalten in kartesischen Koordinaten beschreiben, auf die jeweiligen Parameter in den Gelenk-Koordinaten.
  • Die vorstehend beschriebenen Methoden sind insbesondere in „Cartesian Impedance Control Techniques for Torque Controlled Light-Weight Robots", Alin Albu-Schäffer et al., IEEE International Conference on Robotics and Automation, Washington D.C., pp. 657 bis 663, 2002 beschrieben, wobei hierin die Impedanzprojektion als „stiffness control" bezeichnet ist.
  • Die Erzielung eines gewünschten kartesischen Verhaltens kann basierend auf einer unterlagerten Positions-, Drehmomenten- oder Gelenk-Impedanzregelung erfolgen. Die Realisierung dieser Regelungen werden erfindungsgemäß vorzugsweise durch die Integration von Momentensensorik in die Gelenke eines Roboters erleichtert. Der Sensor erfasst dabei das am Abtrieb des Getriebes wirkende eindimensionale Drehmoment. Diese Größe kann nun für die Regelung als Messgröße herangezogen werden und ermöglicht somit die Berücksichtigung der Elastizität der Gelenke im Rahmen der Regelung.
  • Insbesondere werden durch die Drehmomentsensorik, im Gegensatz zur Verwendung eines Kraftmomentensensors am Endeffektor, auch diejenigen Kräfte gemessen, die nicht auf den Roboterendeffektor, sondern auf die Segmente, wie Verbindungselemente, des Roboters ausgeübt werden. Dies bedeutet, dass es keine Rolle spielt, ob der Roboter an dessen Endeffektorflansch oder an einer beliebigen anderen Stelle (z.B. Ellenbogen) manuell geführt wird. Wobei manuelles Führen des Roboterarms durch eine komplett nachgiebige Regelung (basierend auf obigen Regelungsverfahren) ermöglicht wird. Des weiteren können durch die zuvor beschriebenen Regelverfahren unterschiedliche Impedanzen/Admittanzen in verschiedenen Freiheitsgraden (im Gelenkwinkelraum oder kartesischen Raum) unabhängig voneinander, aber auch abhängig von der räumlichen Anordnung des Roboters realisiert werden. Dies ermöglicht den haptischen Austausch von Informationen zwischen Roboter und Bediener und wird im folgenden anhand von Anwendungsbeispielen genauer beschrieben:
    Informationsfluss: Roboter → Bediener:
  • Mittels oben skizzierter Regelungsverfahren lassen sich beliebige Informationen mit dem Roboter haptisch wiedergeben. So ist es beispielsweise möglich, den Roboter entlang einer bestimmten Trajektorie nachgiebig zu regeln, in alle anderen Richtungen steif. In diesem Fall kann der Roboter wiederum durch manuelles Führen bewegt werden, jedoch nur entlang der definierten Trajektorie, andere Bewegungen als diese lässt der Roboter nicht zu. Der Roboter gibt dem Bediener also haptisches Feedback bzgl. abzufahrender Trajektorien. Dadurch können in einer präoperativen Planung gefährliche Bewegungsbereiche gesperrt werden (um z.B. Verletzungen von lebenswichtigen Organen oder Blutgefässen zu vermeiden). Der Arzt erhält somit über den Roboter eine Rückmeldung über die Zuverlässigkeit der ausgeführten Bewegung.
    Informationsfluss: Bediener → Roboter:
  • Des weiteren kann der Bediener durch Aufprägen von Kräften auf den Roboterarm Roboterbewegungen kommandieren (haptische Interaktion). Diese Möglichkeit der Interaktion mit dem gesamten Roboterarm durch manuelles Führen, die hier auf den oben skizzierten Regelungsverfahren basiert (diese Art der Interaktion wird auch als soft robotics bezeichnet), stellt vor allem in schwer prädizierbaren Umgebungen einen wichtigen Ansatz für den Einsatz von Robotern dar: Sie ermöglicht insbesondere den Einsatz von Robotern in medizinischen Applikationen, da hier Kollisionsvermeidung durch präoperative Bahnplanung aufgrund des dynamischen und schwer prädizierbaren Szenarios am Operationstisch nicht immer praktikabel ist. Droht beispielsweise eine Kollision zwischen Roboter und Umgebung, so kann der Roboter auch durch einen Nicht-Spezialisten (z.B. OP-Schwester) mittels oben beschriebener Verfahren in eine kollisionsfreie Konfiguration gebracht werden, ohne dass eine Unterbrechung des Operationsablaufes notwendig wird. In diesem Sinne ist das beschriebene Bedienverfahren ideal für die Anwendung von Robotern in medizinischen Applikationen.
  • Erfindungsgemäß erfolgt eine entsprechende Regelung von zwei Gelenken, so dass das auf zwei Gelenke wirkende Drehmoment im Wesentlichen auf Null geregelt wird. Es handelt sich hierbei um zwei benachbarte, mit einem Verbindungselement, wie einem stegförmigen Bauteil oder dgl., verbundene benachbarte Gelenke. Weiterhin handelt es sich bei den erfindungsgemäß geregelten Gelenken um zwei Gelenke, die gegenüber einem Umgebungselement, auf das keine Kräfte ausgeübt werden sollen, am nächstliegenden sind und Kräfte in der tangentialen Ebene am Einstichpunkt erzeugen können. Bei minimalinvasiven Anwendungen in der Medizin ist somit durch das erfindungsgemäße Verfahren das Auftreten von Kräften an der Eröffnung des Patienten erheblich verringert, wobei auf Grund der Regelung keine nennenswerten Kräfte mehr auftreten, so dass am Eröffnungspunkt vorzugsweise keine Beschädigungen erfolgen. Bei den erfindungsgemäß geregelten Gelenken handelt es sich um Gelenke deren Drehmomente eine Abstützkraft des Instruments auf den Einstichpunkt des inneren Randes der Öffnung am Patienten erzeugen würden.
  • Vorzugsweise erfolgt die Regelung innerhalb vorgegebener Grenzwerte.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, durch Einsatz eines Roboterarms mit redundanter Gelenkeanzahl, d. h., redundanter Kinematik, sowohl die Basis als auch den Endeffektor des Roboterarms positions- und orientierungsfest zu halten. Hierbei ist die Basis des Roboterams ein erstes ggf. ortsfestes Element des Roboterarms. Der Endeffektor ist das letzte Glied des Roboterarms, der beispielsweise die Roboterhand, ein medizinisches Gerät etc. trägt. Gleichzeitig ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, bei einem positions- und orientierungsfesten Endeffektor unterschiedliche Armkonfigurationen zu durchfahren, d. h. eine Nullraumbewegung durchzuführen. Es ist somit möglich, mit einem kinematisch redundanten Roboter, bzw. einem gelenkredundanten Roboter bestimmte Endeffektor-Bewegungen auszuführen, bei denen es sich beispielsweise um während einer Operation auszuführende Bewegungen handeln kann, während ein Ellenbogen des Roboterarms zur Kollisionsvermeidung in andere Positionen überführt wird.
  • Erfindungsgemäß wird der instrumentenführende Roboterarm in eine von einer Vielzahl möglicher Konfiguration gebracht, in welcher die Gelenkachsen der insbesondere beiden drehmoment-geregelten Gelenke senkrecht aufeinander stehen. Bei einer besonders bevorzugten Konfiguration steht die Instrumentenachse senkrecht auf den beiden Gelenkachsen. Eine Nullkraftregelung in der Ebene ist jedoch stets auch dann gut realisierbar, wenn die Instrumentenachse zwar nicht senkrecht zu den beiden Gelenkachsen steht, jedoch mit beiden Gelenkachsen einen Winkel ungleich null einschließt. Vorzugsweise erfolgt die Regelung mittels Nullmomentenregelung, welche insbesondere als eine Sonderform der Impedanzregelung angesehen werden kann (die auftretenden Interaktions-Drehmomente sind im Wesentlichen gleich Null). Durch die Nullmomentenregelung in diesen beiden Gelenkachsen kann der Roboter im Eröffnungspunkt keine nennenswerten translatorischen Kräfte erzeugen, welche parallel zu der Ebene sind, die durch die beiden Gelenkachsen aufgespannt wird, unabhängig davon wo der Eröffnungspunkt liegt. Durch Gleiten des Instruments entlang der Instrumentenachse werden somit auch keine nennenswerten Kräfte in der Ebene tangential zum Einstichpunkt erzeugt. Technisch wird bei der Nullmomentenregelung das im Gelenk wirkende Interaktions-Drehmoment erfasst und durch den Antrieb auf Null geregelt. Aufgrund von Störeinflüssen, wie zum Beispiel der Massenträgheit der Komponenten zwischen den beiden Gelenken und dem Eröffnungspunkt sowie aufgrund von Reibungen können Kräfte im Eröffnungspunkt auftreten. Durch Berücksichtigung dieser Größen in einem Modell können entsprechende die Nullmomentenregelung der beiden Gelenke aufgenommen werden und dadurch die zu vermeidenden Kräfte minimiert werden. Diese Terme können die Beschleunigungskräfte, die Zentrifugalkräfte, die Corioliskräfte oder zum Beispiel Reibungskräfte beinhalten.
  • Im Gegensatz zur Verwendung von passiven Gelenken (Freilauf), besteht bei dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren die Möglichkeit des Umschaltens in einen Betriebsmodus der es erlaubt den Roboter kontrolliert zu bewegen, wenn das Instrument aus der Eröffnung und dem Patientenkörper herausgezogen wird (extra-korporalei- Modus). Bei einem Roboter mit passiven Gelenken wären diese nicht kontrollierbar, wenn sich das Instrument nicht mehr im Patienten befindet (intra-korporaler Modus), der Roboter ist somit in dieser Situation nicht nutzbar. Nur durch die beschriebene Möglichkeit zur Umschaltung zwischen intra- und extrakorporalem Modus ist es beispielsweise möglich, einen Instrumentenwechsel vom Roboterarm automatisch durchführen zu lassen. Die Umschaltung auf Freilauf kann softwarebasiert erfolgen. Außerdem kann ein derartiger Roboter auch für rein extra-korporale Anwendungen eingesetzt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms weist somit insbesondere die folgenden Vorteile auf:
    • • Haptische Interaktion mit Roboterarmen, basierend auf Impedanz/Admittanzregelung bzw. Impedanzprojektion, zur manuellen Positionierung des Roboterarmes bei gleichzeitigem haptischen Feedback.
    • • Online-Kollisionsvermeidung bei Robotern in medizinischen Applikationen durch redundante Gelenkanzahl ohne Unterbrechung der durchzuführenden Endeffektorbewegungen.
    • • Nullmomentenregelung von mindestens zwei Robotergelenken bei der Manipulation laparoskopischer Instrumente zur Reduktion der translatorischen Krafteinleitung senkrecht zur Instrumentenachse im Trokarpunkt bei minimalinvasiven Eingriffen.
  • Vorzugsweise ist an dem Instrumentenschaft ein taktiler Sensor vorgesehen. Die durch den taktilen Sensor aufgenommenen Kräfte können bei der Regelung berücksichtigt werden. Es handelt sich hierbei um Kräfte, die tangential zur Patientenebene auf das Instrument wirken. Diese vorzugsweise bei der Regelung berücksichtigten Kräfte können zusätzlich oder anstelle der in den Roboterachsen bzw. Robotergelenken gemessenen Momente berücksichtigt werden.
  • Vorzugsweise ist eine redundante Gelenkanzahl vorgesehen. Es ist somit möglich, die Lage eines oder mehrerer Verbindungselemente durch haptische Interaktion zu verändern, wobei die Lage des Endeffektors unverändert bleibt. Hier wirken auf den Einstichpunkt weiterhin im Wesentlichen keine nennenswerten Kräfte. Besonders bevorzugt ist es die Redundanz zur Optimierung bzw. Verbesserung eines Gütekriteriums zu benutzen. Dies erfolgt insbesondere um die zwei nullmomentgeregelten Achsen im Wesentlichen senkrecht zur Instrumentenachse auszurichten.
  • Ferner betrifft die Erfindung einen Roboter, der insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Ein derartiger Roboter weist einen Roboterarm mit mehreren Gelenken auf, wobei die Gelegenkeanzahl redundant ist. Hierbei wird unter redundant verstanden, dass der Roboterarm eine größere Anzahl an Freiheitsgraden aufweist als zur Manipulation in dem entsprechenden Arbeitsraum notwendig sind. Zwischen den einzelnen Gelenken sind Verbindungselemente, insbesondere stegförmige Armteile und dgl., angeordnet. Ferner weist der Roboterarm einen Endeffektor auf, der beispielsweise die Roboterhand trägt, mit einem medizinischen Instrument verbunden ist etc.. Die Gelenke und/oder die Verbindungselemente sind mit Aktuatoren, wie Getrieben, Stellmotoren etc., zur Bewegung des Roboterarms verbunden. Des weiteren sind Drehmomentsensoren vorgesehen. Hierbei kann es sich um Drehmomentsensoren handeln, die in die Gelenke integriert sind und/oder mit den Verbindungselementen verbunden sind. Ferner weist der Roboter eine Steuereinrichtung auf, die mit den Drehmomentsensoren und den Akutatoren verbunden ist. Mit Hilfe einer entsprechenden Verarbeitung der von den Drehmomentsensoren an die Steuereinrichtung übermittelten Signale erfolgt ein Ansteuern der Aktuatoren zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Der Roboter ist vorzugsweise wie an Hand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben weitergebildet.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Roboters zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 eine schematische Prinzipdarstellung eines Roboterarmes gemäß einer ersten Ausführungsform eines Roboterarmes,
  • 2 eine schematische Prinzipdarstellung eines Roboterarmes gemäß einer zweiten Ausführungsform eines Roboterarmes,
  • 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines einachsigen Drehmomentsensors, wie er in dem in 1 dargestellten Roboterarm verwendet werden kann,
  • 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines mehrachsigen Drehmomentsensors, wie er bei dem in 2 dargestellten Roboterarm verwendet werden kann und
  • 57 Beispiele von Ablaufdiagrammen zur erfindungsgemäßen Nullmomentenregelungen auf Basis der Impedanzregelung, der Admittanzregelung und der Impedanzprojektion.
  • Ein Roboterarm 10 weist mehrere Gelenke 12 auf, die bei einer ersten Ausführungsform (1) jeweils einen koaxial zum Gelenk angeordneten Drehmomentsensor 14 aufweisen. Bei dem Drehmomentsensor 14 handelt es sich um einen in dem Gelenk integrierten Drehmomentsensor. Zwischen den einzelnen Gelenken sind im dargestellten Ausführungsbeispiel stabförmig ausgebildete Verbindungselemente 16 vorgesehen. Mit dem letzten bzw. freien Verbindungselement 16 ist sodann ein nicht dargestellter Endeffektor, wie eine Roboterhand oder dgl., verbunden. Eine Instrumentenachse 18 verläuft im dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zum letzten stabförmigen Verbindungselementes 16.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich beispielsweise bei den Gelenken 12a und 12b um die beiden zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlichen Gelenke. Die Gelenkachsen 20a, 20b der beiden Gelenke 12a, 12b verlaufen senkrecht zueinander und senkrecht zu der Instrumentenachse 18. Erfindungsgemäß werden die Aktuatoren, die die beiden Gelenke 12a, 12b bewegen, von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung derart angesteuert, dass die Interaktions-Dreh-Momente in den beiden Gelenken 12a, 12b im Wesentlichen Null sind. Als Aktuatoren können beispielsweise geeignete Stellelemente und/oder Getriebe vorgesehen sein. Die Messergebnisse der Drehmomentsensoren 14 werden ebenfalls an die Steuereinrichtung übertragen, um eine entsprechende erfindungsgemäße Regelung durchführen zu können.
  • Bei einer zweiten Ausführungsform (2) sind identische oder ähnliche Bauteile mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet. Alternativ zu einem koaxial zu einem Gelenk 12 angeordneten Drehmomentsensor 14 kann auch ein Drehmomentsensor 22 vorgesehen sein, der mit dem angrenzenden Verbindungselement 16 verbunden ist. Hierdurch können jedoch ggf. zu berücksichtigende Querkräfte auftreten, die sodann beispielsweise durch Korrekturterme eliminiert bzw. in der Regelung berücksichtigt werden müssen. Der mit einem angrenzenden Verbindungselement 16 verbundene Drehmomentsensor 22 weist den Vorteil auf, dass mit einem Sensor mehrere Gelenke zusammengefasst bzw. gemeinsam überwacht werden können. Ggf. ist daher insbesondere eine Kombination der beiden Sensortypen bzw. Sensoranordnungen vorteilhaft. Beide Arten der in 1 und 2 dargestellten Drehmomentsensoren haben gegenüber bekannten sechsachsigen-Kraftmomentensensoren, die an der Spitze bzw. dem freien Ende des Roboterarms angeordnet sind, den Vorteil, dass auch Kräfte der Verbindungselemente erfasst werden können. Hierdurch ist bei kinematisch redundanten Roboterarmen mit mehr als sechs Freiheitsgraden eine korrekte Implementierung möglich.
  • Ein Beispiel eines in ein Gelenk integrierbaren Sensors 14 ist in 3 dargestellt. Hierbei wird das zu messende Drehmoment, dass durch einen Pfeil 24 dargestellt ist, durch die Verformung der Messstellen 26 erfasst.
  • Ein mehrachsiger Sensor, wie er beispielsweise als Sensor 22 in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann, ist in 4 dargestellt. Durch einen derartigen Sensor werden die Drehmomente 28, 30 sowie Querkräfte auf Grund der Verformungen in den Messstellen 32 ermittelt.
  • Anhand der 5 bis 7 wird nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsform unterschiedlicher Regelverfahren erläutert.
  • Die Impedanzregelung (5) verwendet eine unterlagerte Drehmomentsregelung der einzelnen Gelenke. Dies wird insbesondere durch die Messung der abtriebsseitigen Momente ermöglicht. Als Solldrehmoment für die nullmomentgeregelten Gelenke 20a und 20b aus 1 wird ein Wert von 0Nm verwendet um zu verhindern, dass Kräfte auf die Eröffnung der Patientenoberfläche ausgeübt werden. Die restlichen Gelenke erhalten ihr Sollmoment von einem überlagerten Impedanzregelgesetzt. Zur Implementierung dieses äußeren Regelkreises ist die Messung aller Gelenkpositionen erforderlich.
  • Die Admittanzregelung (6) basiert auf einer unterlagerten Positions- oder Geschwindigkeitsregelung der nicht nullmomentgeregelten Gelenke. In einem äußeren Regelkreis wird ein Admittanzenregelgesetz verwendet, welches als Eingangesgröße die gemessenen verallgemeinerten Kräfte benötigt. Die Kombination mit der unterlagerten Positions- oder Geschwindigkeitsregelung erfolgt über eine Inverskinematik. Hierfür müssen die Gelenkwinkel aller Gelenke gemessen werden.
  • Die Impedanzprojektion (7) verwendet eine Gelenkimpedanzregelung der nicht nullmomentgeregelten Gelenke. Zur Implementierung der Projektion wird die Messung aller Gelenkwinkel benötigt.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Regelung eines Roboterarms (10) beim Einsatz in der Medizin, bei welchem ein Roboterarm (10) mit redundanter Gelenkanzahl verwendet wird, ein mit dem Roboterarm (10) verbundenes Instrument durch eine Öffnung (19) geführt ist, und ein in einem ersten und zweiten Gelenk (12a, 12b) wirkendes Drehmoment erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem ersten und zweiten Gelenk (12a, 12b) wirkende Interaktions-Drehmoment mittels einer Steuereinrichtung im Wesentlichen auf Null geregelt wird, wobei die Regelung des ersten und zweiten Gelenks (12a, 12b), die auf Grund ihrer räumlichen Anordnung eine Kraft in einer Ebene parallel zur Patientenoberfläche erzeugen können, bewirkt, dass diese Kraft an einem Einstichpunkt im wesentlichen Null ist, wobei Gelenkachsen (20a, 20b) des ersten und zweiten geregelten Gelenkes (12a, 12b) senkrecht aufeinander stehen und eine Instrumentenachse (18) in einem Winkel ungleich Null, vorzugsweise senkrecht auf beiden Gelenkachsen (20a, 20b) steht, und wobei die Redundanz der Gelenke (12, 12a, 12b) zur Optimierung eines Gütekriteriums benutzt wird, um die zu Null geregelten Gelenke (12a, 12b) in einem Winkel ungleich Null, vorzugsweise senkrecht zur Instrumentenachse (18) auszurichten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Regelung mit Hilfe der Steuereinrichtung bei Über- und/oder Unterschreiten vorgegebener Grenzwerte erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Regelung mit Hilfe einer Nullmomentenregelung, vorzugsweise mittels Impedanzregelung oder Admittanzregelung oder Impedanzprojektion erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die mit einem Gelenkverbindungselement (16), das dem Instrument am nächsten liegt, verbundenen Gelenke (12a, 12b) geregelt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem zum Ausgleich von durch Massenträgheit und/oder Reibung auftretenden Momenten und/oder Kräften Korrekturterme bei der Regelung berücksichtigt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem durch die Regelung des Roboterarms (10) ein haptischer Informationsfluss ermöglicht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem zumindest eines der geregelten Gelenke (12a, 12b) auf geregelten Freilaufbetrieb umschaltbar ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem auf Grund der redundanten Gelenkzahl durch haptische Interaktion ein Verändern der Lage mindestens eines Verbindungselementes (16) ohne Verändern der Lage des Instruments möglich ist, wobei die auf den Rand der Öffnung (19) wirkenden Kräfte im wesentlichen Null sind.
  9. Roboter, zum Einsatz in der Medizin, mit einem Roboterarm (10), mit mehreren Gelenken (12), wobei die Gelenkanzahl redundant ist, zwischen den Gelenken (12) Verbindungselemente (16) angeordnet, ein Instrument als Endeffektor vorgesehen, mit den Gelenken (12) und/oder den Verbindungselementen (16) verbundene Aktuatoren und Drehmomentsensoren (14, 22) vorgesehen sind, und einer mit den Drehmomentsensoren (14, 22) und den Aktuatoren verbundenen Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes und zweites Gelenk (12a, 12b) dem Instrument nächstliegend angeordnet sind, und das erste Gelenk (12a) einen Drehmomentsensor (14, 22) aufweist, wobei der Drehmomentsensor ein innenliegender, in das erste Gelenk (12a) integrierter Drehmomentsensor (14) oder ein mit einem angrenzenden Verbindungselement (16) verbundener Drehmomentsensor (22) ist.
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