DE102012212811B4

DE102012212811B4 - Method of controlling a telesurgery robot and telesurgery robots

Info

Publication number: DE102012212811B4
Application number: DE102012212811.5A
Authority: DE
Inventors: Georg Passig; Andreas Tobergte
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2032-07-21
Also published as: DE102012212811A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Telechirurgie-Roboters (10) mit mindestens einem Roboterarm (12) zum Führen mindestens eines chirurgischen Instruments (14, 15) im oder am Körper (16) eines Patienten, wobei die Bewegungen des mindestens einen chirurgischen Instruments (14) im oder am Körper (16) des Patienten durch eine Kamera (18) erfasst werden, deren Position und/oder Ausrichtung veränderbar ist und auf einer Anzeigevorrichtung (20) einem Nutzer (22) angezeigt werden, wobei der mindestens eine Roboterarm (12) gesteuert wird durch eine Eingabe, die der Nutzer (22) an einer Eingabevorrichtung (24) vornimmt, wobei die Eingabe, die der Nutzer (22) in einem Koordinatensystem der Eingabevorrichtung (24) vornimmt, anhand einer Transformation transformiert wird in ein Koordinatensystem des Roboterarms (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Koordinatensystem des Roboters (10) lokal um einen Arbeitspunkt A herum innerhalb eines Toleranzbereichs kartesisch ist, jedoch global ein nicht-kartesisches Koordinatensystem ist, wobei das Koordinatensystem des Roboterarms (12) ein Polarkoordinatensystem ist, und wobei die Eingabe des Nutzers (22) im kartesischen Koordinatensystem der Eingabevorrichtung (24) erfasst wird und durch eine Rotation auf ein kartesisches Koordinatensystem am Roboterarm (12) abgebildet wird, wobei dieses kartesische Koordinatensystem am Roboterarm (12) am Arbeitspunkt A das Polarkoordinatensystem des Roboterarms (12) tangiert, wobei der Arbeitspunkt A der Punkt ist, an dem das Polarkoordinatensystem des Roboterarms (12) vom kartesischen Koordinatensystem, in das die Eingabe des Nutzer (22) transformiert wird, tangiert wird.A method of controlling a telesurgery robot (10) having at least one robotic arm (12) for guiding at least one surgical instrument (14, 15) in or on the body (16) of a patient, wherein movements of the at least one surgical instrument (14) in the or on the body (16) of the patient are detected by a camera (18) whose position and / or orientation is variable and on a display device (20) a user (22) are displayed, wherein the at least one robot arm (12) is controlled by an input made by the user (22) to an input device (24), wherein the input which the user (22) makes in a coordinate system of the input device (24) is transformally transformed into a coordinate system of the robot arm (12 ), characterized in that the coordinate system of the robot (10) is locally Cartesian around an operating point A within a tolerance range, but globally a non-Cartesian where the coordinate system of the robotic arm (12) is a polar coordinate system, and wherein the input of the user (22) is detected in the Cartesian coordinate system of the input device (24) and imaged by rotation on a Cartesian coordinate system on the robotic arm (12) in which the Cartesian coordinate system on the robot arm (12) at the operating point A is tangent to the polar coordinate system of the robot arm (12), the working point A being the point at which the polar coordinate system of the robot arm (12) from the Cartesian coordinate system into which the input of the user ( 22) is transformed, is affected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Telechirurgie-Roboters sowie einen Telechirurgie-Roboter.The invention relates to a method for controlling a telesurgery robot and a telesurgery robot.

In der minimalinvasiven robotergestützen Telechirurgie werden chirurgische Instrumente durch kleine Schnitte in den Körper des Patienten eingeführt. Jedes Instrument wird von einem Roboter geführt und aktuiert. Gesteuert wird dieser Operationsroboter von einem Nutzer, im Regelfall von einem Chirurgen, der in geringer Entfernung vom Patienten an einer chirurgischen Eingabekonsole oder Eingabevorrichtung sitzt. Er steuert mit je einer Hand je einen Instrumentenroboter. Dabei werden die Handbewegungen an der Eingabevorrichtung durch den Roboter ausgeführt. In früheren Systemen war die Kinematik der Eingabevorrichtung sehr ähnlich zur Kinematik der Roboterarme. So konnten Gelenkwinkel der Eingabevorrichtung direkt als Sollvorgabe für die Position der Gelenke des Roboters genutzt werden.In minimally invasive robot-assisted telesurgery, surgical instruments are inserted through small incisions in the patient's body. Each instrument is guided and actuated by a robot. This surgical robot is controlled by a user, usually by a surgeon sitting at a small distance from the patient on a surgical input console or input device. He controls one instrument robot with one hand each. The hand movements are performed on the input device by the robot. In previous systems, the kinematics of the input device was very similar to the kinematics of the robot arms. Thus, joint angles of the input device could be used directly as a target for the position of the joints of the robot.

Gemäß neuerem Stand der Technik wird die Position der Eingabevorrichtung im kartesischen Koordinatensystem der Eingabevorrichtung erfasst, in das kartesische Koordinatensystem des Roboters transformiert und durch den Roboter angefahren. Die Transformation zwischen diesen Koordinatensystemen wird durch die Lage der Kamera bestimmt. So wird beispielsweise eine Bewegung der Eingabevorrichtung nach rechts derart durch den Roboterarm ausgeführt, dass sich das hiermit verbundene chirurgische Instrument im Bild der Kamera ebenfalls nach rechts bewegt. Hierdurch wird dem Bediener eine intuitive Steuerung des Systems ermöglicht. Ein derartiges System ist in der Druckschrift DE 600 22 911 T2 beschrieben. Weiterhin kann die Orientierung der Instrumentenspitzen ebenfalls durch diese Transformation angepasst werden. In kommerziell verfügbaren Systemen zur robotergestützten Chirurgie wird eine feste Transformation beim Systemstart dadurch erzwungen, dass die Eingabevorrichtungen vom System in dieselbe Orientierung wie die chirurgischen Instrumente gedreht werden.According to the state of the art, the position of the input device is detected in the Cartesian coordinate system of the input device, transformed into the Cartesian coordinate system of the robot and approached by the robot. The transformation between these coordinate systems is determined by the position of the camera. For example, a movement of the input device to the right is carried out by the robot arm so that the surgical instrument connected thereto also moves to the right in the image of the camera. This allows the operator to intuitively control the system. Such a system is in the document DE 600 22 911 T2 described. Furthermore, the orientation of the instrument tips can also be adjusted by this transformation. In commercially available robotic surgery systems, a fixed transformation is induced at system startup by the input devices being rotated by the system in the same orientation as the surgical instruments.

Beim Systemstart bewegen sich also die Handgriffe der Eingabevorrichtung selbsttätig in die passende Orientierung, die dem chirurgischen Instrument entspricht.When the system is started, therefore, the handles of the input device automatically move into the appropriate orientation, which corresponds to the surgical instrument.

Grundsätzlich kann das Problem dadurch beschrieben werden, dass bei einer Veränderung der Kameraposition, die Transformation zwischen Handbewegung und Roboterbewegung ebenfalls verändert werden muss, um die korrekte Hand-Auge-Koordination zu gewährleisten.Basically, the problem can be described by the fact that when changing the camera position, the transformation between hand movement and robot movement must also be changed to ensure the correct hand-eye coordination.

Allerdings ist eine feste Kopplung der Neuberechnung der Transformation an eine Kamerabewegung, wie in dem o. g. Patent beschrieben, nicht immer sinnvoll. Zum Beispiel kann eine Situation entstehen, in der der Chirurg eine Kamerabewegung ausführt, die jedoch nicht direkt eine Neuberechnung der Transformation auslösen soll. Beispielsweise kann der Chirurg die Kamera in eine Richtung abseits der Instrumentenspitzen verschwenken, um z. B. den korrekten Sitz einer Gefäßklemme zu überprüfen. Anschließend verschwenkt der Chirurg die Kamera sofort wieder zu den Instrumentenspitzen. In einem solchen Fall wäre eine Neuberechnung der Transformation unnötig und möglicherweise sogar hinderlich.However, a fixed coupling is the recalculation of the transformation to a camera movement, as in the above-mentioned. Patent described, not always useful. For example, a situation may arise in which the surgeon performs a camera movement, but which is not intended to directly trigger a recalculation of the transformation. For example, the surgeon can pivot the camera in a direction away from the instrument tips, for. B. to check the correct fit of a hemostat. Subsequently, the surgeon immediately swivels the camera back to the instrument tips. In such a case, recalculating the transformation would be unnecessary and possibly even a hindrance.

WO 2011/123 595 A1 beschreibt ein Robotersystem zum Manipulieren eines Katheters, der in den Körper eines Patienten eingeführt wird. Hierbei wird eine Vielzahl von Steuerkabeln verwendet, die in Längsrichtung des Katheters verlaufen. Aus der genannten Druckschrift ist bekannt, Eingabebefehle, die ein Nutzer an einer Eingabevorrichtung eingibt, in ein Koordinatensystem eines Manipulatorarms umzurechnen. WO 2011/123 595 A1 describes a robotic system for manipulating a catheter that is inserted into the body of a patient. Here, a plurality of control cables is used, which extend in the longitudinal direction of the catheter. It is known from the cited document to convert input commands which a user inputs to an input device into a coordinate system of a manipulator arm.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum verbesserten Steuern eines Telechirurgie-Roboters und einen Telechirurgie-Roboter insbesondere während der o. g. Situation bereitzustellen.The object of the invention is a method for improved control of a tele-surgery robot and a tele-surgery robot, in particular during the o. G. To provide situation.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Steuern eines Telechirurgie-Roboters mit mindestens einem Roboterarm. Der Roboterarm dient dem Führen eines chirurgischen Instruments im oder am Körper eines Patienten. Hierbei werden die Bewegungen des chirurgischen Instruments im oder am Körper des Patienten durch eine Kamera erfasst. Bei dieser Kamera kann es sich bspw. um ein Endoskop handeln. Die Position und Ausrichtung der Kamera ist veränderbar und wird auf einer Anzeigevorrichtung, bspw. einem Display, einem Nutzer, z. B. einem Chirurgen, angezeigt. Der mindestens eine Roboterarm wird gesteuert durch eine Eingabe, die der Nutzer an einer Eingabevorrichtung vornimmt. Hierbei kann es sich um eine Eingabekonsole eines Telechirurgie-Roboters handeln. Die Eingabe, die der Nutzer im Koordinatensystem der Eingabevorrichtung vornimmt, wird anhand einer Transformation in das Koordinatensystem des Roboterarms bzw. des Roboters transformiert.The method according to the invention serves to control a tele-surgery robot with at least one robot arm. The robotic arm serves to guide a surgical instrument in or on the body of a patient. In this case, the movements of the surgical instrument in or on the body of the patient are detected by a camera. This camera may, for example, be an endoscope. The position and orientation of the camera is changeable and is displayed on a display device, for example. A display, a user, for. As a surgeon. The at least one robot arm is controlled by an input that the user makes on an input device. This can be an input console of a tele-surgery robot. The input which the user makes in the coordinate system of the input device is transformed by means of a transformation into the coordinate system of the robot arm or of the robot.

Erfindungsgemäß ist das Koordinatensystem des Roboterarms lokal um einen Arbeitspunkt herum innerhalb eines Toleranzbereichs kartesisch. Global ist es jedoch ein nicht-kartesisches Koordinatensystem.According to the invention, the coordinate system of the robot arm is Cartesian locally around an operating point within a tolerance range. Globally, however, it is a non-Cartesian coordinate system.

Es ist bevorzugt, dass das Koordinatensystem des Roboterarms stetig differenzierbar und damit sprungfrei ist. It is preferred that the coordinate system of the robot arm is continuously differentiable and thus jump-free.

Erfindungsgemäß handelt es sich hierbei um ein Polarkoordinatensystem, dessen Mittelpunkt der Trokarpunkt ist, an dem der Roboterarm, der die Kamera führt, in den Körper des Patienten eingeführt wird. Es wird somit auf der Roboterseite ein gegenüber einem kartesischen Koordinatensystem im Raum verzerrtes Koordinatensystem verwendet. Auf der Ausgabeseite wird somit kein kartesisch rechtwinkliges Koordinatensystem verwendet. Es findet somit nicht wie bei bisherigen Transformationen von einem kartesischen Koordinatensystem in ein anderes kartesisches Koordinatensystem eine affine Transformation statt. Wesentlich ist lediglich, dass dem Nutzer die Bewegung der Roboter als Reaktion auf seine Handbewegungen plausibel erscheint.According to the invention, this is a polar coordinate system, the center of which is the trocar point at which the robot arm guiding the camera is introduced into the body of the patient. Thus, a coordinate system distorted in space compared to a Cartesian coordinate system is used on the robot side. On the output side, therefore, no Cartesian right-angled coordinate system is used. Thus, unlike previous transformations, there is no affine transformation from one Cartesian coordinate system to another Cartesian coordinate system. It is only essential that the user's movement of the robot seems plausible in response to his hand movements.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann eine Interpretation der an der Eingabevorrichtung in kartesischen Koordinaten vorgegebenen Bewegung in Polarkoordinaten auf der Roboterseite zu einer überzeugenden Hand-Auge-Koordination führen. Somit kann sich der Roboterarm weiterhin nach rechts bewegen, wenn die Eingabevorrichtung nach rechts gesteuert wird. Dem Nutzer ist hierbei nicht bewusst, dass gerade Bahnen auf der Eingabeseite roboterseitig in Kurvenbahnen mit vergleichsweise großen Radien umgesetzt werden, da sich seine Bewegungen üblicherweise nur auf einen kleinen Raum beschränken. Bspw. können bei einer radikalen Prostatektomie Bewegungen auf der Eingabeseite roboterseitig in Kurvenbahnen mit einem Radius zwischen 5 cm und 30 cm umgesetzt werden. Der Radius beschreibt hierbei den Abstand zwischen dem Trokarpunkt und der Instrumentenspitze. Bei einer solchen Operation beschränken sich die Bewegungen der Instrumentenspitze in seitlicher Richtung auf einen sehr kleinen Arbeitsraum von bspw. 5 cm.Under certain conditions, an interpretation of the Cartesian coordinates given to the input device in polar coordinates on the robot side can lead to convincing hand-eye coordination. Thus, the robot arm can continue to move to the right when the input device is controlled to the right. The user is not aware that straight webs on the input side robot side are implemented in curved paths with relatively large radii, since his movements are usually limited to a small space. For example. During a radical prostatectomy, movements on the input side on the robot side can be converted into curved paths with a radius between 5 cm and 30 cm. The radius describes the distance between the trocar point and the instrument tip. In such an operation, the movements of the instrument tip in the lateral direction are limited to a very small working space of, for example, 5 cm.

Der Trokarpunkt, an dem der Roboterarm, der die Kamera hält, in den Körper des Patienten eingeführt wird, stellt somit den Nullpunkt eines verzerrten Koordinatensystems (bspw. eines Polarkoordinatensystems) dar, in dem das Endoskop in vier Freiheitsgraden (schwenken, neigen, rotieren, Zoom/Entfernung) gesteuert werden kann.The trocar point at which the robotic arm holding the camera is inserted into the body of the patient thus represents the origin of a distorted coordinate system (eg, a polar coordinate system) in which the endoscope is tilted, tilted, rotated, and rotated in four degrees of freedom. Zoom / distance) can be controlled.

Abgesehen von den genannten wesentlichen Bedingungen der Transformation kann diese beliebig ausgestaltet sein. So kann sie z. B. durch eine innere Krümmung eine Änderung der Transformation bei Kamerabewegungen unnötig machen, da die erforderliche globale Änderung bereits im Koordinatensystem enthalten ist. Mit dieser inneren Krümmung ist die Krümmung des Polarkoordinatensystems gegenüber einem kartesischen Koordinatensystem gemeint.Apart from the stated essential conditions of the transformation, this can be configured as desired. So she can z. B. by an inner curvature make a change in the transformation in camera movements unnecessary, since the required global change is already included in the coordinate system. By this inner curvature is meant the curvature of the polar coordinate system with respect to a Cartesian coordinate system.

Die durch die Eingabevorrichtung eingegebenen Bewegungen des Nutzers werden somit ausgabeseitig in einem neuen Koordinatensystem interpretiert, das nur lokal orthogonal sein muss, global jedoch beliebige Verzerrungen aufweisen kann. Da das neue System lokal rechtwinklig und im Arbeitsraum stetig differenzierbar sein muss, handelt es sich nicht um ein beliebiges System, sondern um eine stetig differenzierbare Untermannigfaltigkeit des R³. Es ist bevorzugt, dass sich die Skalierung der Abbildung im Arbeitsraum nicht wesentlich ändert.The user's movements entered by the input device are thus interpreted on the output side in a new coordinate system, which only has to be locally orthogonal, but can have any distortions globally. Since the new system must be locally rectangular and continuously differentiable in the working space, it is not an arbitrary system, but a continuously differentiable submanifold of R ³ . It is preferred that the scaling of the image in the workspace does not change significantly.

Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist, dass nach einer Kamerabewegung die Transformation zwischen der Eingabeseite und der Ausgabeseite nicht angepasst werden muss. Diese Koordinatentransformation ist im Koordinatensystem des Roboterarms ortsfest zu einem Drehpunkt, um den sich die Kamera bewegt, definiert, nicht jedoch relativ zur Position der Kamera.The advantage of the method described is that after a camera movement, the transformation between the input side and the output side does not have to be adapted. This coordinate transformation is fixed in the coordinate system of the robot arm to a pivot point around which the camera moves, but not relative to the position of the camera.

Erfindungsgemäß wird die Eingabe des Nutzers im kartesischen Koordinatensystem der Eingabevorrichtung erfasst und durch eine Rotation auf ein kartesisches Koordinatensystem am Roboterarm abgebildet, wobei dieses kartesisches Koordinatensystem am Roboterarm am Arbeitspunkt das nicht-kartesische Koordinatensystem, insbesondere das Polarkoordinatensystem des Roboterarms tangiert.According to the invention, the input of the user in the Cartesian coordinate system of the input device is detected and imaged by a rotation on a Cartesian coordinate system on the robot arm, said Cartesian coordinate system on the robot arm at the operating point the non-Cartesian coordinate system, in particular the polar coordinate system of the robot arm touched.

Erfindungsgemäß wird somit das Polarkoordinatensystem am Arbeitspunkt durch ein kartesisches (orthogonales) Koordinatensystem angenähert. Eine solche Orthogonalisierung am Arbeitspunkt ist bei einer Mannigfaltigkeit immer möglich und ergibt sich auch direkt aus den o. g. Bedingungen. Die Bewegung des Instruments erfolgt dann nicht auf einer Kreisbahn, sondern auf geraden orthogonalen Achsen.According to the invention, the polar coordinate system is thus approximated at the operating point by a Cartesian (orthogonal) coordinate system. Such an orthogonalization at the operating point is always possible with a manifold and results directly from the o. G. Conditions. The movement of the instrument is then not on a circular path, but on straight orthogonal axes.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Arbeitspunkt der Punkt ist, an dem das Polarkoordinatensystem des Roboters vom kartesischen Koordinatensystem, in das die Eingabe des Nutzers transformiert wird, tangiert wird.It is provided according to the invention that the operating point is the point at which the polar coordinate system of the robot is affected by the Cartesian coordinate system into which the input of the user is transformed.

Es ist bevorzugt, dass der Arbeitspunkt auf einer Achse des nicht-kartesischen Koordinatensystems des Roboterarms nachgeführt wird. Als Achse wird in diesem Zusammenhang auch die Kreisbahn eines Polarkoordinatensystems verstanden. Der Zeitpunkt der Änderung des Arbeitspunktes kann manuell vom Nutzer bestimmt werden. Alternativ ist eine Bestimmung dieses Zeitpunktes durch Betätigung einer Kupplung, die die Eingabevorrichtung mit dem Roboterarm kuppelt, möglich. Dies ist technisch besonders sinnvoll, da ein häufige Betätigung einer Kupplung auch eine häufigere Neuberechnung des Arbeitspunktes erfordert. Es ist bevorzugt, dass die Nachführung des Arbeitspunktes unabhängig von der Kamerabewegung erfolgt, und z. B. aufgrund von Bewegungen der Instrumente gesteuert wird.It is preferred that the operating point be tracked on an axis of the non-Cartesian coordinate system of the robot arm. In this context, the axis is also understood to mean the circular path of a polar coordinate system. The time of the change of the operating point can be determined manually by the user. Alternatively, a determination of this timing is possible by operating a clutch that couples the input device to the robotic arm. This is technically particularly useful because a frequent actuation of a clutch also requires a more frequent recalculation of the operating point. It is preferred that the tracking of the operating point independent of the Camera movement takes place, and z. B. is controlled due to movements of the instruments.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Position des Arbeitspunktes aus der Position des durch den Roboterarm geführten Instruments berechnet wird. Sofern genau ein Instrument verwendet wird, kann der Arbeitspunkt bspw. in der Instrumentenspitze liegen. Werden zwei oder mehr Instrumente verwendet, so kann es zweckmäßig sein, denselben Arbeitspunkt für alle Instrumente festzulegen. Die Instrumente bewegen sich dabei alle in dem gleichen euklidischen Koordinatensystem. Dieser Arbeitspunkt muss nicht fest an eines der Instrumente gebunden sein, sondern kann beliebig in Abhängigkeit der Positionen der Instrumente gewählt werden. Beispielsweise kann bei Verwendung von genau zwei Instrumenten der Arbeitspunkt wie folgt bestimmt werden:
Es wird die Winkelhalbierende zwischen den Geraden durch die beiden Instrumentenspitzen und dem Trokarpunkt gebildet. Entlang dieser Winkelhalbierenden befindet sich der Arbeitspunkt im beliebigen Abstand zum Trokarpunkt. Der Abstand zum Trokarpunkt ist irrelevant, solange auf der kartesischen Achse, die durch den Arbeitspunkt verläuft, eine translatorische Bewegung kommandiert wird (d. h. die Kommandierung erfolgt nicht durch Winkelkoordinaten).Furthermore, it is preferred that the position of the operating point is calculated from the position of the instrument guided by the robot arm. If exactly one instrument is used, the operating point may, for example, lie in the tip of the instrument. If two or more instruments are used, it may be appropriate to set the same operating point for all instruments. The instruments all move in the same Euclidean coordinate system. This operating point does not have to be firmly bound to one of the instruments, but can be chosen as desired depending on the positions of the instruments. For example, when using exactly two instruments, the operating point can be determined as follows:
The bisector between the straight lines is formed by the two instrument tips and the trocar point. Along this bisector, the operating point is located at any distance from the trocar point. The distance to the trocar point is irrelevant as long as a translatory motion is commanded on the Cartesian axis passing through the working point (ie, the commanding is not by angular coordinates).

Die Erfindung betrifft ferner einen Telechirurgie-Roboter zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.The invention further relates to a tele-surgery robot for carrying out the described method.

Es ist bevorzugt, dass die Berechnung und insbesondere eine Neuberechnung der Transformation vom Koordinatensystem der Eingabevorrichtung in das Koordinatensystem des Roboterarms und insbesondere die Nachführung des Arbeitspunkts unabhängig von der Kamerabewegung erfolgt.It is preferred that the calculation and, in particular, a recalculation of the transformation from the coordinate system of the input device into the coordinate system of the robot arm and, in particular, the tracking of the operating point take place independently of the camera movement.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.In the following, preferred embodiments of the invention will be explained with reference to figures.

Es zeigen:Show it:

1a einen Chirurgen bei der Bedienung der Eingabevorrichtung, 1a a surgeon in the operation of the input device,

1b eine Anzeigevorrichtung mit einer darauf angezeigten Instrumentenspitze, 1b a display device with an instrument tip displayed thereon,

2 einen chirurgischen Roboter bei einem operativen Eingriff, 2 a surgical robot during surgery,

3 ein Polarkoordinatensystem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, 3 a polar coordinate system according to the method according to the invention,

4a die Bestimmung des Arbeitspunkts bei Verwendung eines Instruments, 4a the determination of the working point when using an instrument,

4b die Bestimmung des Arbeitspunkts bei Verwendung zweier Instrumente. 4b the determination of the working point when using two instruments.

Gemäß 1a führt der Chirurg 22 eine Eingabevorrichtung 24, deren Bewegungen über Sensoren erfasst und über die Kinematik dieser Eingabevorrichtung 24 in kartesische Koordinaten umgerechnet werden. Eine Veränderung dieser Koordinaten wird gemäß einer Abbildungsvorschrift, nämlich einer Transformation in eine Veränderung der Soll-Position des Roboters 10 umgerechnet (siehe 2) und als Bewegung des chirurgischen Instruments 14 ausgegeben. Die Abbildungsvorschrift ist eine Abbildung von kartesischen orthogonalen Daten im R³ in Polarkoordinaten im R³. So wird also eine Bewegung entlang der x-Achse im Koordinatensystem der Eingabevorrichtung interpretiert als ein Winkelveränderung dφ in Polarkoordinaten im Polarkoordinatensystem um den Drehpunkt M der Kamera (siehe 3, 4a und 4b). Wird die Kamera mit dem Roboterarm 13, der die Kamera 18 führt um diesen invarianten Drehpunkt M rotiert oder näher an das Operationsfeld geführt, so verändert sich die genannte Transformation nicht.According to 1a leads the surgeon 22 an input device 24 whose movements are detected by sensors and the kinematics of this input device 24 be converted into Cartesian coordinates. A change in these coordinates becomes according to a mapping rule, namely, a transformation into a change in the target position of the robot 10 converted (see 2 ) and as movement of the surgical instrument 14 output. The mapping rule is an image of Cartesian orthogonal data in R ³ in polar coordinates in R ³ . Thus, a movement along the x-axis in the coordinate system of the input device is interpreted as an angle change dφ in polar coordinates in the polar coordinate system about the pivot point M of the camera (see 3 . 4a and 4b ). Will the camera with the robot arm 13 who is the camera 18 If this invariant point of rotation M rotates or is guided closer to the surgical field, the named transformation does not change.

Die in Polarkoordinaten resultierende Position im dreidimensionalen Raum wird zurück in orthogonale Roboterkoordinaten transformiert und mit Hilfe der Kinematik des Roboters in Gelenkwinkel umgerechnet. Das Ergebnis wird als Soll-Wertvorgabe an den Roboterarm 12 übermittelt. Der Chirurg 22 betrachtet das Bild der Kamera 18 auf einem Bildschirm 20 (siehe 1b).The position resulting in polar coordinates in three-dimensional space is transformed back into orthogonal robot coordinates and converted into joint angle with the aid of the kinematics of the robot. The result is used as a target value specification for the robot arm 12 transmitted. The surgeon 22 looks at the picture of the camera 18 on a screen 20 (please refer 1b ).

Wie in 3 erkennbar ist, kann sich das Endoskop 18 durch die Bewegung um den invarianten Punkt M in der Bauchdecke des Patienten nur um vier Freiheitsgrade bewegen. Gestrichelt ist die Kreisbahn eingezeichnet, auf der das Instrument 14 bzw. die Instrumentenspitze 14a sich bewegen würde, wenn der Chirurg eine Bewegung nach rechts oder links kommandiert. In 4a ist dargestellt, wie der Arbeitspunkt A in Abhängigkeit von der Position der Instrumentenspitze 14a festgelegt wird. Wie in 4a dargestellt, fällt der Arbeitspunkt A mit der Position der Instrumentenspitze 14a zusammen. Die Tangente t tangiert die Kreisbahn a, deren Mittelpunkt der Punkt M ist am Arbeitspunkt A. Kommandiert der Chirurg eine Bewegung des Instruments 14 nach rechts, würde dieses bzw. die Instrumentenspitze 14a entlang der Tangente t nach rechts bewegt werden.As in 3 can be seen, the endoscope can be 18 by moving around the invariant point M in the abdominal wall of the patient by only four degrees of freedom. Dashed line is the circular path drawn on the instrument 14 or the instrument tip 14a would move if the surgeon commanded a movement to the right or left. In 4a is shown as the operating point A depending on the position of the instrument tip 14a is determined. As in 4a shown, the operating point A falls with the position of the instrument tip 14a together. The tangent t is tangent to the orbit a, the center of which is the point M at the operating point A. The surgeon commands a movement of the instrument 14 to the right, this or the instrument tip would 14a along the tangent t are moved to the right.

In 4b ist die Festlegung des Arbeitspunktes A bei der Verwendung zweier Instrumente 14, 15 dargestellt. h ist die Winkelhalbierende des Winkels, der am Mittelpunkt M eingeschlossen wird durch die Verbindung der Instrumentenspitze 15a zum Punkt M und durch die Verbindung der Instrumentenspitze 14a zum Punkt M. Durch diese Winkelhalbierende h wird der Arbeitspunkt A festgelegt. Bewegungen, die der Chirurg kommandiert, werden in einem rechten Winkel zu dieser Winkelhalbierenden h ausgeführt. Der Arbeitspunkt im Polarkoordinatensystem gemäß 4b wird somit durch den Winkel γ beschrieben, während α den Winkel zur ersten Instrumentenspitze 14a und β den Winkel zur zweiten Instrumentenspitze 15a kennzeichnet.In 4b is the definition of the operating point A when using two instruments 14 . 15 shown. h is the angle bisector of the angle enclosed at midpoint M by the connection of the instrument tip 15a to the point M and through the connection of the instrument tip 14a to the point M. By this bisector h the operating point A is determined. Movements commanded by the surgeon are performed at a right angle to this bisector h. The operating point in the polar coordinate system according to 4b is thus described by the angle γ, while α is the angle to the first instrument tip 14a and β the angle to the second instrument tip 15a features.

Wie in 4b sichtbar, verläuft die Winkelhalbierende nicht exakt parallel zur Längsrichtung des Endoskops. Dies liegt darin begründet, dass die Bestimmung des Arbeitspunktes, d. h. die Neuberechnung der Transformation vom Koordinatensystem der Eingabevorrichtung in das Koordinatensystem der Instrumente nicht aufgrund der Bewegungen des Endoskops erfolgt. Hierdurch kann unter Umständen eine geringe Ungenauigkeit in der Abbildung entstehen, die jedoch aufgrund der beschriebenen geometrischen Gegebenheiten im Operationssitus tolerierbar ist.As in 4b Visible, the bisecting line is not exactly parallel to the longitudinal direction of the endoscope. This is due to the fact that the determination of the operating point, ie the recalculation of the transformation from the coordinate system of the input device into the coordinate system of the instruments does not take place due to the movements of the endoscope. As a result, under certain circumstances, a slight inaccuracy in the image arise, which is tolerable due to the described geometric conditions in the surgical site.

Claims

Method for controlling a telesurgery robot ( 10 ) with at least one robot arm ( 12 ) for guiding at least one surgical instrument ( 14 . 15 ) in or on the body ( 16 ) of a patient, the movements of the at least one surgical instrument ( 14 ) in or on the body ( 16 ) of the patient through a camera ( 18 ) are detected, whose position and / or orientation is variable and on a display device ( 20 ) a user ( 22 ), wherein the at least one robot arm ( 12 ) is controlled by an input that the user ( 22 ) on an input device ( 24 ), the input given by the user ( 22 ) in a coordinate system of the input device ( 24 ) is transformed by means of a transformation into a coordinate system of the robot arm ( 12 ), characterized in that the coordinate system of the robot ( 10 ) is Cartesian locally around an operating point A within a tolerance range, but globally is a non-Cartesian coordinate system, the coordinate system of the robot arm ( 12 ) is a polar coordinate system, and wherein the input of the user ( 22 ) in the Cartesian coordinate system of the input device ( 24 ) and by rotation on a Cartesian coordinate system on the robot arm ( 12 ), this Cartesian coordinate system on the robot arm ( 12 ) at the operating point A the polar coordinate system of the robot arm ( 12 ), wherein the operating point A is the point at which the polar coordinate system of the robot arm ( 12 ) from the Cartesian coordinate system into which the input of the user ( 22 ) is affected.

Method according to claim 1, characterized in that the mapping from the coordinate system of the input device ( 24 ) to the coordinate system of the robot arm ( 12 ) is continuously differentiable and thus free of jumps.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the operating point A on an axis a of the non-Cartesian Kooardinatensystems the robot arm ( 12 ), wherein the time of the change of the operating point A manually by the user ( 22 ) or by an actuation of a coupling which controls the input device ( 24 ) with the robot arm ( 12 ) is determined.

A method according to claim 3, characterized in that the position of the working point A is calculated from the position of the by the robot arm ( 12 ) ( 14 ), using exactly one instrument ( 14 ) the operating point A in the instrument tip ( 14a ) and when using exactly two instruments ( 14 . 15 ) the working point A along the bisector h of the angle between the two instrument tips ( 14a . 15a ) at the trocar point ( 26 ), in which a robot arm ( 13 ), the camera ( 18 ), into the patient's body ( 16 ) or along another straight line between the two instrument tips.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that a calculation and in particular a recalculation of the transformation from the coordinate system of the input device ( 24 ) in the coordinate system of the robot arm ( 12 ) and in particular the tracking of the operating point A regardless of a camera movement done.

A method according to claim 1, characterized in that the center point M of the polar coordinate system of the trocar point ( 26 ), on which a robot arm ( 13 ), the camera ( 18 ), into the body ( 16 ) of the patient is introduced.

Teleopurgery robot for carrying out a method according to one of Claims 1 to 6.