DE102012209769A1

DE102012209769A1 - Verfahren zum Betreiben eines Roboters und Vorrichtung mit einem Roboter

Info

Publication number: DE102012209769A1
Application number: DE201210209769
Authority: DE
Inventors: Ralph Berke
Original assignee: KUKA Laboratories GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: DE102012209769C5; DE102012209769B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters und eine Vorrichtung mit einem Roboter. Der Roboter umfasst einen mehrere, nacheinander folgende Glieder, eine Befestigungsvorrichtung (1) zum Befestigen eines Endeffektors (E, 2) und Antriebe zum Bewegen der Glieder aufweisenden Roboterarm (M) und eine mit den Antrieben verbundene Steuervorrichtung (S). Der Roboterarm (M) wird insbesondere gesteuert durch die Steuervorrichtung (S) derart bewegt, dass der an der Befestigungsvorrichtung (1) befestigte Endeffektor (E, 2) oder ein dem Endeffektor (E, 2) zugeordneter Tool Center Point eine vorgegebene Position oder Lage einnimmt. Eine erste abgeschätzte Ist-Position (P_rob) des Endeffektors (E, 2) oder des Tool Center Points wird mittels des Roboterarms (M), und unabhängig davon wird eine zweite abgeschätzten Ist-Position (P_rifd) des Endeffektors (E, 2) oder des Tool Center Points mittels einer unabhängigen Positionsermittlungsvorrichtung ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters und eine Vorrichtung mit einem Roboter.
Roboter im Allgemeinen sind Handhabungsmaschinen, die zur selbsttätigen Handhabung von Objekten mit zweckdienlichen Werkzeugen ausgerüstet und in mehreren Bewegungsachsen insbesondere hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. Roboter weisen üblicherweise einen Roboterarm mit mehreren Gliedern und programmierbare Steuerungen (Steuervorrichtungen) auf, die während des Betriebs die Bewegungsabläufe des Roboterarms steuern bzw. regeln. Die Antriebe sind z.B. elektrische Antriebe.
Die EP 1 294 300 B1 offenbart ein chirurgisches Instrument, welches während eines orthopädischen Eingriffs mittels eines Roboters bewegt wird. Am medizinischen Instrument ist ein Instrumentensensor angebracht und an einem Knochen eines mittels des medizinischen Instruments zu behandelnden Patienten ist ein Referenzsensor angebracht. Die beiden Sensoren sind mit einem Detektor verbunden, welcher eingerichtet ist, aufgrund der von den Sensoren stammenden Signale die Ist-Positionen des Instruments und des Knochens zu ermitteln. Mit dem Detektor ist ein Signalprozessor verbunden, welcher der Robotersteuerung eine Soll-Position relativ zum Referenzsensor für das medizinische Instrument übermittelt, damit das medizinische Instrument die gewünschte Soll-Position einnimmt. Die aktuelle Ist-Position wird mit der Soll-Position verglichen, damit gegebenenfalls iterativ das medizinische Instrument die gewünschte Soll-Position einnimmt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Roboters und eine entsprechende Vorrichtung mit einem Roboter anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters, der einen mehrere, nacheinander folgende Glieder, eine Befestigungsvorrichtung zum Befestigen eines Endeffektors und Antriebe zum Bewegen der Glieder aufweisenden Roboterarm und eine mit den Antrieben verbundene Steuervorrichtung aufweist, aufweisend folgende Verfahrensschritte:

a) Bewegen des Roboterarms, insbesondere gesteuert durch die Steuervorrichtung, derart, dass der an der Befestigungsvorrichtung befestigte Endeffektor oder ein dem Endeffektor zugeordneter Tool Center Point eine vorgegebene Position oder Lage einnimmt,
b) Ermitteln einer ersten Ist-Position des Endeffektors oder des Tool Center Points mittels des Roboterarms, und unabhängig davon, Ermitteln einer zweiten Ist-Position des Endeffektors oder des Tool Center Points mittels einer unabhängigen Positionsermittlungsvorrichtung,
c) basierend auf den beiden ermittelten Ist-Positionen zugeordneten Koordinaten, Berechnen eines Korrekturvektors, welcher einer Differenz zwischen diesen Koordinaten zugeordnet ist und in Richtung der zweiten ermittelten Ist-Position zugeordneten Koordinate gerichtet ist,
d) Bewegen des Roboterarms, insbesondere gesteuert durch die Steuervorrichtung, derart, dass der an der Befestigungsvorrichtung befestigte Endeffektor oder der Tool Center Point sich um eine dem Korrekturvektor zugeordnete Strecke bewegt, um eine korrigierte Position oder Lage einzunehmen, und
e) Wiederholen der Schritte b) bis d) bis zu einem parametrisierbaren Endkriterium.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung, aufweisend

– einen Roboter, der einen mehrere, nacheinander folgende Glieder, eine Befestigungsvorrichtung zum Befestigen eines Endeffektors und Antriebe zum Bewegen der Glieder aufweisenden Roboterarm und eine mit den Antrieben verbundene Steuervorrichtung aufweist, wobei der Roboter eingerichtet ist, dass dieser gesteuert durch die Steuervorrichtung den Roboterarm derart bewegt, dass der an der Befestigungsvorrichtung befestigte Endeffektor oder ein dem Endeffektor zugeordneter Tool Center Point eine vorgegebene Position oder Lage einnimmt, und eine erste abgeschätzte Ist-Position des Endeffektors oder des Tool Center Points mittels des Roboterarms ermittelbar ist, und
– eine Positionsermittlungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, unabhängig vom Roboter eine zweite abgeschätzte Ist-Position des Endeffektors oder des Tool Center Points zu ermitteln,

Erfindungsgemäß soll demnach die Position bzw. Pose des mittels des Roboterarms bewegten Endeffektors bzw. des Tool Center Points bestimmt werden. Dies erfolgt einerseits mittels des Roboterarms als solchen, z.B. aufgrund der Stellungen der Achsen des Roboterarms, und mittels der Positionsermittlungsvorrichtung.
Mittels des Roboterarms wird demnach die erste ermittelte Ist-Position des Endeffektors oder des Tool Center Points und unabhängig davon die zweite ermittelte Ist-Position des Endeffektors oder des Tool Center Points mittels der Positionsermittlungsvorrichtung ermittelt.
Die Positionsermittlungsvorrichtung ist demnach vorgesehen, die Position bzw. Pose des Endeffektors zu ermitteln. Der Endeffektor ist z.B. ein medizinisches Instrument.
Aufgrund der zusätzlichen, Roboter unabhängige Positionsverifikation wird eine redundante Positions- bzw. Lageerkennung z.B. eines chirurgischen Instrumentes al Endeffektor erreicht. Durch diese redundante Positionserfassung des Instrumentes kann zudem eine höhere Sicherheit in der Erfassung der Positioniergenauigkeit des Robotersystems erreicht werden.
Insbesondere soll die Position, gegebenenfalls auch dessen Orientierung, des Tool Center Points, d.h. einem bestimmten Punkt des Endeffektors, im Falle des medizinischen Instruments beispielsweise dessen Instrumentenspitze, ermittelt werden. Als Positionsermittlungsvorrichtung kann z.B. eine dem Fachmann im Prinzip bekannte optische Positionsermittlungsvorrichtung vorgesehen sein, welche z.B. am Endeffektor oder auch am Roboterarm, insbesondere an dessen Befestigungsvorrichtung, angeordnete Marker aufweist, welche mittels einer Kamera, insbesondere mittels einer Stereokamera, überwacht werden. Die Positionsermittlungsvorrichtung kann auch auf induktiver Basis oder auf akustischen (z.B. Ultraschall)-Messverfahren ausgelegt sein.
Vorzugsweise kann die Positionsermittlungsvorrichtung mehrere, am Roboterarm und/oder am Endeffektor angeordnete RFID Transponder und ein zum Auslesen der RFID Transponder eingerichtetes Lesegerät aufweisen. Eine solch ausgebildete Positionsermittlungsvorrichtung kann gegebenenfalls auch dann die Position des Tool Center Points bzw. des Endeffektors ausreichend genau bestimmen, wenn bei einer optischen Positionsermittlungsvorrichtung die Sicht auf die Marker versperrt wäre.
Der Positionsermittlungsvorrichtung kann insbesondere eine Masterfunktion und dem Roboter eine Slavefunktion zugeordnet werden. Demgemäß orientiert sich die Bestimmung des Korrekturvektors an der zweiten ermittelten Ist-Position (Master-Position). Aufgrund der Wiederholung der einzelnen Schritte nähern sich die beiden ermittelten Ist-Positionen immer weiter an, wodurch sich die Genauigkeit der Ist-Position bzw. der Ist-Pose des Endeffektors bzw. des Tool Center Points sich erhöht.
Die Wiederholung bzw. Iteration wird so lange durchgeführt, bis das Endkriterium erreicht ist. Das Endkriterium ist beispielsweise dann erreicht, wenn der Betrag des Korrekturvektors einen vorgegebenen Betrag unterschreitet.
Wenn z.B. der Betrag des Korrekturvektors ein vorbestimmtes Maß überschreitet, dann kann es vorgesehen sein, dass das Verfahren abgebrochen wird. In diesem Fall wird demnach der Betrieb des Roboters abgebrochen, da z.B. bei einer derart hohen Messdifferenz der beiden abgeschätzten Ist-Positionen das Risiko eines Messfehlers (Kalibrationsunsicherheit / Fehlpositionierung) zu hoch erscheint.
Es kann vorgesehen sein, dass dem Roboterarm ein ortsfestes Roboterbasiskoordinatensystem und der Positionsermittlungsvorrichtung ein ortsfestes Basiskoordinatensystem zugeordnet ist. Dann wird vorzugsweise die erste ermittelte Ist-Position in Koordinaten des Roboterbasiskoordinatensystems und die zweite ermittelte Ist-Position in Koordinaten des Basiskoordinatensystems berechnet.
Um den Korrekturvektor zu berechnen, kann ein von dem Roboterbasiskoordinatensystem und dem Psoitionsermittelungsvorrichtung-Basiskoordinatensystem verschiedenes Referenzkoordinatensystem vorgesehen sein. Dann können die ermittelten Ist-Positionen in Koordinaten des Referenzkoordinatensystems umgerechnet werden, um den Korrekturvektor zu berechnen. Somit kann zunächst die erste ermittelte Ist-Position durch einen ersten Ortsvektor und die zweite ermittelte Ist-Position durch einen zweiten Ortsvektor bezüglich des Referenzkoordinatensystems definiert bzw. umgerechnet werden. Aus diesen beiden Ortsvektoren lässt sich dann der Korrekturvektor aus einer Vektordifferenz beider Ortsvektoren berechnen.
Es ist aber auch möglich, dass das Basiskoordinatensystem oder das Roboterbasiskoordinatensystem als Referenzkoordinatensystem verwendet wird. Im ersten Fall wird dann die erste ermittelte Ist-Position in Koordinaten des Basiskoordinatensystems umgerechnet, um den Korrekturvektor zu berechnen. Im zweiten Fall wird die zweite ermittelte Ist-Position in Koordinaten des Roboterbasiskoordinatensystems umgerechnet werden, um den Korrekturvektor zu berechnen.
Somit wird insbesondere für das Ermitteln des Korrekturvektors das Referenzkoordinatensystem gewählt, in dessen Koordinaten die ermittelten Ist-Positionen ausgedrückt bzw. umgerechnet werden. Aufgrund dieser Koordinaten wird der Korrekturvektor berechnet, indem die diesen Koordinaten zugeordneten Ortsvektoren bezüglich des Referenzkoordinatensystem ermittelt werden. Anschließend wird die Vektordifferenz beider Ortsvektoren errechnet.
Zudem wird das Referenzierungsverfahren gegenüber konventionellen Methoden verbessert: Die Master-Positionsermittlungsvorrichtung erfasst die Positionen des Roboterbasiskoordinatensystem und des Referenzkoordinatensystems. Dabei werden die Koordinaten (Referenz, Roboter und Instrument) auf das Referenzkoordinatensystem umgerechnet, sodass kontinuierlich das Roboterbasiskoordinatensystem, die Instrumentenpose und das Referenzkoordinatensystem gleichzeitig erfasst werden. Da hierbei nur die relative Position zwischen Roboter und Referenzkoordinatensystem betrachtet wird, lassen sich mit dem Verfahren Kalibrationsungenauigkeiten von Roboter und Instrument ausgleichen und damit der Registrierungsprozess verbessern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung mit einem Roboter und einer Positionsermittlungsvorrichtung, und
2 ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen einer Regelstrategie für den Roboter.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung mit einem Roboter und einer Positionsermittlungsvorrichtung. Die Vorrichtung ist insbesondere als eine medizinische Vorrichtung ausgebildet.
Der Roboter, welcher insbesondere als ein medizinischer Roboter ausgebildet ist, umfasst einen Roboterarm M und eine Steuervorrichtung S. Der Roboterarm M stellt im Wesentlichen den beweglichen Teil des Roboters dar und umfasst mehrere, nacheinander folgende Glieder, die mittels Gelenke miteinender verbunden sind. An einem seiner Enden weist der Roboterarm M eine Befestigungsvorrichtung 1 z.B. in Form eines Flansches auf, an dem ein Endeffektor E befestigt werden kann. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich bei dem Endeffektor E um ein medizinisches Instrument 2.
Der Roboterarm M weist ferner mit der Steuervorrichtung S verbundene, nicht näher dargestellte Antriebe auf, mittels derer die Glieder bezüglich den Gelenken zugeordneten Achsen relativ zueinander bewegt werden können.
Die Antriebe sind z.B. elektrische Antriebe und können von der Steuervorrichtung S angesteuert werden, sodass die Befestigungsvorrichtung 1 oder ein sogenannter Tool Center Point des Roboters automatisch eine vorbestimmte Position, gegebenenfalls auch eine Orientierung und somit eine Lage einnimmt. Somit nimmt auch der Endeffektor E bzw. das medizinische Instrument 2 eine vorbestimmte Position bzw. Lage ein.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist dem Roboter ein Roboterbasiskoordinatensystem 3 zugeordnet, welches insbesondere ortsfest bezüglich eines Grundgestells des Roboterarms M ist. Das Roboterbasiskoordinatensystem 3 ist insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem. Des Weiteren ist ein ortsfestes Referenzkoordinatensystem 4 vorgesehen, welches vorzugsweise ebenfalls ein kartesisches Koordinatensystem ist.
Die Positionsermittlungsvorrichtung ist vorgesehen, die Position, gegebenenfalls die Lage des Endeffektiors E gegebenenfalls des medizinischen Instruments 2 im Raum zu ermitteln. Insbesondere soll die Position bzw. Lage des Tool Center Points, d.h. einem bestimmten Punkt des Endeffektors E bzw. des medizinischen Instruments 2, z.B. dessen Spitze, ermittelt werden. Als Positionsermittlungsvorrichtung kann z.B. eine dem Fachmann im Prinzip bekannte optische Positionsermittlungsvorrichtung vorgesehen sein, welche z.B. am Endeffektor E bzw. am medizinischen Instrument 2 oder auch am Roboterarm M, insbesondere an dessen Befestigungsvorrichtung 1 angeordnete Marker aufweist, welche mittels einer Kamera, insbesondere mittels einer Stereokamera überwacht werden. Die Positionsermittlungsvorrichtung kann auch auf induktiver Basis ausgelegt sein.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist die Positionsermittlungsvorrichtung am Endeffektor E bzw. am medizinischen Instrument 2 angeordnete RFID Transponder 5 und ein RFID-Lesegerät 6 auf. Die Transponder 5 können aktive oder passive Transponder sein. Aktive Transponder 5 können eine höhere Signalleistung und damit eine bessere Signalqualität aufweisen. Passive Transponder haben den Vorteil ohne Kabel auszukommen. Dessen ungeachtet kann die Energieversorgung der Transponder 5 auch über einen gegebenenfalls im Roboterarm M integrierten Energieversorgungskanal umgesetzt werden.
Dem Lesegerät 6 ist ein ortsfestes Koordiantensystem 7 zugeordnet, welches insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem ist. Das Lesegerät 6 kann beispielsweise mit der Steuervorrichtung S kommunizieren.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann der Roboter bzw. sein Roboterarm M z.B. neben seiner Funktion als aktiver Assistenzarm oder Instrumenten-Positionierungsgerät, auch als elektromechanisches Tracking System (Positionsermittlungssystem) angesehen werden. Betrachtet man ein definiertes Zielvolumen 8, beispielsweise einen Quader, so kann der Roboter als solcher und die Positionsermittlungsvorrichtung zur unabhängigen Positions- oder Lageerfassung (z.B. des medizinischen Instrumentes 2) im Zielvolumen 8 herangezogen werden.
Insbesondere ist das medizinische Instrument 2 bzw. der Endeffektor E fest und formschlüssig mit der Befestigungsvorrichtung 1 des Roboterarms M verbunden. Die Positionsermittlungsvorrichtung und das in Form des Roboterarms M ausgebildete Positionsermittlungssystem werden insbesondere zur Erhöhung der Messgenauigkeit auf das Zielvolumen 8 optimiert. Dies bedeutet, dass sich vorzugsweise das Zielvolumen 8 im insbesondere idealen Messbereich des RFID-Lesegerät 6 befindet und insbesondere für den Roboter ein ausgewählter Arbeitsbereich definiert wird.
Zudem können sich für den Roboter spezielle Kalibrations-Werte, sogenannte PID-Files, für einen bestimmten Arbeitsbereich programmieren lassen. Die Positionierungsgenauigkeit des Positionsermittlungssystems (Roboter) wird durch die Messauflösung der Positionsauflösung des Roboters sowie gegebenenfalls der spezifischen Zustellgenauigkeit des Roboters begrenzt.
Vorzugsweise verfügen beide Systeme (Roboter und Positionsermittelungsvorrichtung) über eine möglichst gleichwertige Messauflösung.
Die Position bzw. Lage des medizinischen Instrumentes 2 bzw. des Tool Center Points im Raum, lässt sich zum einen über das „elektromechanische Trackingsystem Roboterarm“ (Positionsermittlungssystem), zum andern über die Positionsermittlungsvorrichtung bestimmen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Instrumentenspitze des medizinischen Instruments 2 bzw. der Tool Center Point vom Roboter mit einer räumlichen Toleranz, veranschaulicht in Form eines Kugelradius r1 einer Kugel K1, auf eine vorgegebene Soll-Koordinate im Raum positioniert. Mittels des Roboters, z.B. aufgrund der Stellungen der Achsen des Roboterarms M, wird eine erste ermittelte Ist-Position P_rob des Tool Center Points ermittelt und über einen Vektor T_RI1 bezüglich des Roboterbasiskoordinatensystems 3 dargestellt.
Mittels der Positionsermittlungsvorrichtung wird eine zweite Ist-Position P_rfid ermittelt und mit einer Messtoleranz innerhalb einer Kugel K2 mit einem Kugelradius r2 durch einen Vektor T_RI2 bezüglich des Koordinatensystems 7 des Lesegerätes 6 dargestellt.
Die erste abgeschätzte Ist-Position P_rob kann durch einen ersten Ortsvektor TRRI_rob und die zweite abgeschätzte Ist-Position P_rfid kann durch einen zweiten Ortsvektor TRRI_rfid bezüglich des Referenzkoordinatensystems 4 definiert werden.
Ziel ist es, die abgeschätzten Ist-Positionen P_rob, P_rfid relativ gut, wenn nicht gar bestmöglich in Deckung zu bringen.
Das Referenzkoordinatensystem 4 bildet im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen festen, definierten Bezugspunkt im Raum und dient beiden Systemen, d.h. der Positionsermittlungsvorrichtung und dem Roboter, ggf. weiteren relevanten Systemen, als Bezugskoordinatensystem. Optional kann das Bezugskoordinatensystem aber auch auf einem Patienten-Lokalisator, einer definierten Patientenstruktur, einem Bildgebungsgerät, dem Lesegerät 6, einem Roboterfuß bzw. einem Gestell des Roboterarms M oder einen beliebigen anderen Punkt im Raum oder am/im Patienten definiert werden. Alle Positionskoordinaten im Zielvolumen 8 werden im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels über eine entsprechende Koordinatentransformation in Bezug zum Referenzkoordinatensystem 4 bestimmt.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann über die Positionsermittlungsvorrichtung nicht nur die aktuelle Position des Endeffektors E oder des medizinischen Instruments 2 bzw. des Tool Center Points, sondern optional auch weitere Positionskoordinaten, wie z.B. Strukturen eines mit dem Roboter behandelnden Objekts, beispielsweise eines Patienten, im Zielvolumen 8 ermittelt werden. Ein Beispiel einer Struktur sind Knochen.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird der Positionsermittlungsvorrichtung eine Masterfunktion und dem Roboter eine Slavefunktion zugeordnet. Demgemäß orientiert sich die Bestimmung eines Roboter Korrekturvektors rkv an der zweiten ermittelten Ist-Position P_rfid, die außerdem durch den zweiten Ortsvektor TRRI_rfid bezüglich des Referenzkoordinatensystems 4 definiert wird. Über einen Vergleich der beiden Ortsvektoren TRRI_rob zu TRRI_rfid kann der Korrekturvektor rkv in Relation zum Referenzkoordinatensystem 4 berechnet werden.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels erfolgt eine Messdatenerfassung zum Bestimmen der Position des Tool Center Points über beide Messsysteme unabhängig. Liegen die unabhängig ermittelten abgeschätzten Ist-Positionen P_rfid, P_rob nicht weiter als um 2·(|r1| + |r2|) auseinander, so schneiden bzw. berühren sich die beiden virtuellen Kugeln K1, K2 der Messtoleranz-Volumina beider Systeme. Bei größeren Abständen wird im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Betrieb des Roboters abgebrochen, da z.B. bei einer derart hohen Messdifferenz das Risiko eines Messfehlers (Kalibrationsunsicherheit / Fehlpositionierung) zu hoch erscheint.
Methodisch wird beispielsweise die Abweichung zwischen den beiden abgeschätzten Ist-Positionen P_rob, P_rfid mittels eines PC/Rechners ermittelt und der Korrekturvektor rkv durch Subtraktion der beiden Ortsvektoren TRRI_rfid, TRRI_rob ermittelt: rkv = TRRI_rfid – TRRI_rob
Anschließend wird der Korrekturvektor rkv zu dem Roboter zugeordneten ersten Ortvektor TRRI_rob addiert. Über einen als Blockschaltbild schematisch in der 2 gezeigten iterativen Regelkreis werden die beiden abgeschätzten Ist-Positionen P_rob, P_rfid immer weiter angeglichen und damit Kalibrationsungenauigkeiten (z.B. Roboterkinematik, Instrument etc.) reduziert, wenn nicht gar minimiert.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird die iterative Positionsregelung folgendermaßen durchgeführt:
Die Steuervorrichtung S des Roboters steuert die Antriebe des Roboterarms M derart an, sodass dieser den Tool Center Point an eine vorgegebene Sollkoordinate (Sollposition) im Raum bewegt, Schritt A des Flussdiagramms der 2. Hat der Roboterarm M die Sollposition angefahren, dann erzeugt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Steuervorrichtung S ein Triggersignal, Schritt B des Flussdiagramms, und übermittelt dem Lesegerät 6 der Positionsermittlungsvorrichtung ein entsprechendes Signal. Daraufhin ermittelt das aus dem Roboterarm M gebildete Positionsermittlungssystem im angefahrenen Punkt die erste abgeschätzte Ist-Position P_rob des Tool Center Points, Schritt C des Flussdiagramms, und die Positionsermittlungsvorrichtung die zweite abgeschätzte Ist-Position P_rfid, Schritt D des Flussdiagramms, indem das Lesegerät 6 die am Endeffektor E bzw. am medizinischen Instrument 2, gegebenenfalls am Roboterarm M angebrachten RFID-Transponder 5 ausliest.
Beispielsweise über einen nicht näher dargestellten Rechner, z.B. einem externen PC, oder mittels der Steuervorrichtung S findet anschließend ein Plausibilitäts-Check („befinden sich die Messdaten innerhalb einer definierten Toleranz?“) und ein Messdatenvergleich der beiden abgeschätzten Ist-Positionen P_rob, P_rfid statt, Schritt E des Flussdiagramms.
In Abhängigkeit des zugrunde liegenden Iterationsalgorithmus und der Differenz aus dem Messdatenvergleich wird bei Bedarf vom Rechner der Korrekturvektor rkv berechnet, Schritt F des Flussdiagramms. Anschließend steuert die Steuervorrichtung S die Antriebe des Roboterarms M derart an, sodass der Roboterarm M den Endeffektor E bzw. das medizinische Instrument 2 derart bewegt, sodass der Tool Center Point um den Korrekturvektor rkv verschoben wird. Dadurch wird eine neue Position angefahren, wieder Schritt A des Flussdiagramms.
Es folgen weitere Messungen über die Positionsermittlungsvorrichtung und dem Positionsermittlungssystem, d.h. die Schritte B bis F werden mehrmals wiederholt. Die Position des Endeffektors E bzw. des medizinischen Instrumentes 2 bzw. des Tool Center Points wird vom Roboter nach jeder Positionsmessung in Form einer iterativen Positionskorrekturschleife korrigiert. Die Iteration erfolgt solange, bis die abgeschätzten Ist-Positionen P_rob, P_rfid einen vorgegebenen, insbesondere kleinstmöglichen Abstand zueinander aufweisen (theoretisches Ideal: P_rob = P_rfid).
Allerdings sind in der Regel Auflösevermögen des Positionsermittlungssystems und der Positionsermittlungsvorrichtung sowie die Zustellgenauigkeit rz des Roboters begrenzt. Mit einem geeigneten Iterationsalgorithmus wird deshalb eine Zeit- / genauigkeitsoptimierte Näherung (P_rob ≈ P_rfid) für die Zielkoordinate generiert und die Regelschleife bei Erfüllung einer hinreichenden Genauigkeits-Bedingung abgebrochen. Ein Kriterium für einen solchen Iterationsabbruch könnte beispielsweise mit einem parametrisierbarem Korrekturvektor rkv (z.B. |rkv| → 0 ≤ |rkv| ≤ |rz|) umgesetzt werden. Die Zustellgenauigkeit des Roboters kann über ein Software-Modul optimierbar sein. Zusätzlich kann ein Algorithmus ermitteln werden, wonach z.B. das Getriebe-Umschlagsspiel oder Gravitationseffekte vermieden bzw. optimiert werden. So könnte beispielsweise je nach Roboter-Pose eine individuelle Anfahrtstrategie berechnet werden, um die Zustellgenauigkeit (|rz|) spezifisch zu verbessern.
Nachdem die Zielposition erreicht wurde, erfolgt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels fortlaufend eine Überwachung der aktuellen Positionskoordinate, Schritt G des Flussdiagramms. Die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen (Messabtastfrequenz) bzw. die Frequenz der Korrekturschleifen (Iteration) kann vorzugsweise parametrisierbar sein. Unbeabsichtigte Abweichungen der Roboterposition, die beispielsweise durch den Bearbeitungsprozess, z.B. Knochen-Fräsen, hervorgerufen wurden, können kontinuierlich detektiert und mittels eines geeigneten Regelalgorithmus direkt ausgeglichen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1294300 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Roboters, der einen mehrere, nacheinander folgende Glieder, eine Befestigungsvorrichtung (1) zum Befestigen eines Endeffektors (E, 2) und Antriebe zum Bewegen der Glieder aufweisenden Roboterarm (M) und eine mit den Antrieben verbundene Steuervorrichtung (S) aufweist, aufweisend folgende Verfahrensschritte: a) Bewegen des Roboterarms (M), insbesondere gesteuert durch die Steuervorrichtung (S), derart, dass der an der Befestigungsvorrichtung (1) befestigte Endeffektor (E, 2) oder ein dem Endeffektor (E, 2) zugeordneter Tool Center Point eine vorgegebene Position oder Lage einnimmt, b) Ermitteln einer ersten Ist-Position (P_rob) des Endeffektors (E, 2) oder des Tool Center Points mittels des Roboterarms (M), und unabhängig davon, Ermitteln einer zweiten Ist-Position (P_rifd) des Endeffektors (E, 2) oder des Tool Center Points mittels einer unabhängigen Positionsermittlungsvorrichtung, c) basierend auf den beiden ermittelten Ist-Positionen (P_rob, P_rif) zugeordneten Koordinaten, Berechnen eines Korrekturvektors (rkv), welcher einer Differenz zwischen diesen Koordinaten zugeordnet ist und in Richtung der der zweiten ermittelten Ist-Position (P_rifd) zugeordneten Koordinate gerichtet ist, d) Bewegen des Roboterarms (M), insbesondere gesteuert durch die Steuervorrichtung (S), derart, dass der an der Befestigungsvorrichtung (1) befestigte Endeffektor (E, 2) oder der Tool Center Point sich um eine dem Korrekturvektor (rkv) zugeordnete Strecke bewegt, um eine korrigierte Position oder Lage einzunehmen, und e) Wiederholen der Schritte b) bis d) bis zu einem parametrisichtbaren Endkriterium.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Endkriterium dann erreicht ist, wenn der Betrag des Korrekturvektors (rkv) einen vorgegebenen Betrag unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verfahren abgebrochen wird, wenn der Betrag des Korrekturvektors (rvk) ein vorbestimmtes Maß überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Positionsermittlungsvorrichtung mehrere, am Roboterarm (M) und/oder am Endeffektor (E, 2) angeordnete RFID Transponder (5) und ein zum Auslesen der RFID Transponder (5) eingerichtetes Lesegerät (6) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem dem Roboterarm (M) ein ortsfestes Roboterbasiskoordinatensystem (3) und der Positionsermittlungsvorrichtung ein ortsfestes Basiskoordinatensystem (7) zugeordnet ist, die erste ermittelte Ist-Position (P_rob) in Koordinaten des Roboterbasiskoordinatensystems und die zweite ermittelte Ist-Position (P_rifd) in Koordinaten des Basiskoordinatensystems (7) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem ein von dem Roboterbasiskoordinatensystem (3) und dem Basiskoordinatensystems (7) verschiedenes Referenzkoordinatensystem (4) vorgesehen ist, die ermittelten Ist-Positionen (P_rob, P_rifd) in Koordinaten des Referenzkoordinatensystems (4) umgerechnet werden, um den Korrekturvektor (rkv) zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem bei dem die erste ermittelte Ist-Position (P_rob) in Koordinaten des Basiskoordinatensystems (7) umgerechnet werden, um den Korrekturvektor (rkv) zu berechnen, oder bei dem die zweite ermittelte Ist-Position (P_rfid) in Koordinaten des Roboterbasiskoordinatensystems (3) umgerechnet werden, um den Korrekturvektor (rkv) zu berechnen
Vorrichtung, aufweisend – einen Roboter, der einen mehrere, nacheinander folgende Glieder, eine Befestigungsvorrichtung (1) zum Befestigen eines Endeffektors (E, 2) und Antriebe zum Bewegen der Glieder aufweisenden Roboterarm (M) und eine mit den Antrieben verbundene Steuervorrichtung (S) aufweist, wobei der Roboter eingerichtet ist, dass dieser gesteuert durch die Steuervorrichtung (S) der Roboterarm (M) derart bewegt, dass der an der Befestigungsvorrichtung (1) befestigte Endeffektor (E, 2) oder ein dem Endeffektor (E, 2) zugeordneter Tool Center Point eine vorgegebene Position oder Lage einnimmt, und eine erste ermittelte Ist-Position (P_rob) des Endeffektors (E, 2) oder des Tool Center Points mittels des Roboterarms (M) ermittelbar ist, und – eine Positionsermittlungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, unabhängig vom Roboter eine zweite ermittelte Ist-Position (P_rifd) des Endeffektors (E, 2) oder des Tool Center Points zu ermitteln, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Positionsermittlungsvorrichtung mehrere, am Roboterarm (M) und/oder am Endeffektor (E, 2) angeordnete RFID Transponder (5) und ein zum Auslesen der RFID Transponder (5) eingerichtetes Lesegerät (6) aufweist.