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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines robotischen Gerätes mit einer kinematischen Kette von bewegbaren Komponenten, wobei die kinematische Kette an ihrem einen Ende einen funktionsspezifischen Endeffektor aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein solches robotisches Gerät.
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An moderne robotische Geräte werden große Anforderungen gestellt. Dies gilt insbesondere für medizinisch-robotische Geräte, vor allem wenn sie in minimalinvasiven Eingriffen assistieren oder diese sogar durchführen. Gerade in derartigen Eingriffen bringt die Verwendung von robotischen Geräten allerdings auch viele Vorteile mit sich. Es liegt hier in der Natur der Sache, dass nicht optimal eingestellte Charakteristiken des robotischen Gerätes, beispielsweise eine zu große von dem robotischen Gerät ausgeübte Kraft, fatale Konsequenzen nach sich ziehen können. Auch in anderen Bereichen der Robotik ist es von großer Wichtigkeit, einen vorgegebenen Ablauf in einem veränderlichen Umfeld mit großer Genauigkeit und gleichzeitiger Flexibilität zu durchlaufen ohne dabei unerwünschte Schädigungen zu erzielen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Betriebssicherheit eines robotischen Gerätes zu erhöhen, insbesondere die Sicherheit von Menschen in einer Umgebung des robotischen Geräts.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines robotischen Gerätes mit einer kinematischen Kette von bewegbaren Komponenten, wobei die kinematischen Kette an ihrem einen Ende einen funktionsspezifischen Endeffektor oder ein funktionsspezifisches Endglied aufweist, umfasst eine Reihe von Schritten. Ein erster Schritt ist hier ein Erfassen jeweiliger Sensorwerte mittels an der kinematischen Kette oder in einer Umgebung der kinematischen Kette angeordneter Sensoren. Die Sensoren können beispielsweise als Drehmomentsensoren und/oder Kraftsensoren ausgeführt sein. Ein zweiter Schritt ist ein Ermitteln einer auf den Endeffektor oder eine andere Komponente der kinematischen Kette einwirkenden Kraft oder einer von der einwirkenden Kraft in vorgegebener Weise abhängigen Größe auf Basis der erfassten Sensorwerte. Bei der abhängigen Größe kann es sich um ein Drehmoment handeln. Ein dritter Schritt ist ein Vergleichen der ermittelten Kraft oder Größe mit einem vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert durch eine Steuereinrichtung des robotischen Gerätes. Ein vierter Schritt ist ein Anpassen von einer Charakteristik der kinematischen Kette oder des funktionsspezifischen Endeffektors, falls die ermittelte Kraft oder Größe in einer vorgegebenen Relation zu dem ersten Sicherheitsgrenzwert steht.
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Das hat den Vorteil, dass ein genaues und dabei flexibles Einstellen der jeweiligen wirkenden Kraft oder der von der Kraft abhängigen Größe erfolgt. Es wird situationsabhängig eine optimale Charakteristik des robotischen Gerätes eingestellt. Somit können Beschädigungen, beziehungsweise im Falle eines medizinisch-robotischen Gerätes Verletzungen, vermieden werden, da eine von dem robotischen Gerät in ein Werkstück oder einen Patienten eingebrachte mechanische Energie genau eingestellt werden kann. Gerade bei einem medizinisch-robotischen Gerät kann so vermieden werden, gesunde anatomische Strukturen, wie beispielsweise Organe oder Knochen, zu beschädigen. Da durch das Anpassen der Charakteristik eine automatische, flexible Sicherheitsreserve geschaffen wird, wird die Betriebssicherheit des robotischen Geräts erhöht und eine Verletzungsgefahr von Menschen in einer Umgebung des robotischen Geräts verringert. Auch die Benutzerfreundlichkeit kann durch das Anpassen der Charakteristik verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Charakteristik einen Parameter der kinematischen Kette als Feder-Dämpfer-System, insbesondere eine Steifigkeit und/oder eine Dämpfung der kinematischen Kette, und/oder ein an dem Endeffektor wirkendes Drehmoment und/oder eine an dem Endeffektor wirkende Kraft und/oder eine Geschwindigkeit des Endeffektors und/oder eine Beschleunigung des Endeffektors umfasst. Die Charakteristik kann insbesondere auch eine Position und/oder Orientierung des Endeffektors umfassen. Bei dem wirkenden Drehmoment und/oder der wirkenden Kraft kann es sich um ein von dem Endeffektor ausgeübtes Drehmoment und/oder eine von dem Endeffektor ausgeübte Kraft handeln. Für das Beschreiben der kinematischen Kette als Feder-Dämpfer-System können unterschiedliche Modelle verwendet werden. Da gerade diese Charakteristiken bei einer fehlerhaften Einstellung zu Beschädigungen beziehungsweise Verletzungen führen, ist es vorteilhaft, genau diese anzupassen. Es hat sich gezeigt, dass gerade eine Steifigkeit der kinematischen Kette sowie ein an dem Endeffektor wirkendes Drehmoment beziehungsweise eine an dem Endeffektor wirkende Kraft schwer von einer Bedienperson eingeschätzt werden kann, weshalb ein Anpassen genau dieser Charakteristiken in besonderer Weise vorteilhaft ist.
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In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Charakteristik eine zeitliche Veränderung der Steifigkeit und/oder des Drehmoments und/oder der Kraft und/oder der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung erfasst. Das hat den Vorteil, dass ein genaueres Erfassen einer tatsächlichen Bewegung des robotischen Gerätes über die Charakteristiken möglich ist. Somit kann die Charakteristik auch genauer angepasst werden, beziehungsweise der Sicherheitsgrenzwert besser an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst werden.
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Es kann hier vorgesehen sein, dass bei dem Ermitteln der Kraft oder Größe eine Geometrie der bewegbaren Komponenten und/oder des Endeffektors berücksichtigt wird. Das hat den Vorteil, dass die Kraft oder Größe besonders genau ermittelt werden kann, sodass ein genaues Einstellen des ersten Sicherheitsgrenzwertes möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Anpassen erfolgt, falls die ermittelte Kraft oder Größe größer als der erste Sicherheitsgrenzwert ist. Die Funktion „größer als“ entspricht dann der vorgegebenen Relation zu dem ersten Sicherheitsgrenzwert. Bevorzugt erfolgt das Vergleichen von Werten hier und an anderen Stellen der Beschreibung anhand von Betragswerten, welche also beispielsweise eine Richtung, welche zum Beispiel in einem Vorzeichen einer Größe Ausdruck finden kann, unberücksichtig lassen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Charakteristik das Drehmoment und/oder die Kraft und/oder die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung umfasst, da hier große Werte dieser Charakteristiken im Allgemeinen eine große Gefährdung darstellen. Das Anpassen der Charakteristik kann hier entsprechend eine Reduktion der Charakteristik, insbesondere der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung, umfassen. Das hat den Vorteil, dass über den ersten Sicherheitsgrenzwert erlaubte Maximalwerte für die ermittelte Kraft oder Größe vorgegeben werden können, was eine Gefährdung oder Schädigung begrenzt und somit die Sicherheit des robotischen Gerätes erhöht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein Vorgeben des ersten Sicherheitsgrenzwertes in Abhängigkeit von einer Eigenschaft und/oder einer Eignung des funktionsspezifischen Endeffektors der kinematischen Kette vorgesehen. Insbesondere kann es sich hier um eine Vielzahl von austauschbaren Endeffektoren mit unterschiedlichen funktionellen Spezifikationen und somit Einsatzbereichen handeln, an welche der Sicherheitsgrenzwert anpassbar ist. Das hat den Vorteil, dass die Flexibilität des robotischen Gerätes erhöht ist. Gleichzeitig kann so der jeweilige erste Sicherheitsgrenzwert für den jeweiligen Endeffektor individuell vorgegeben werden, so dass ein genaues Anpassen der Charakteristik an einen jeweils vorzunehmenden Ablauf, insbesondere automatisch, möglich ist. Entsprechende Sicherheitsreserven werden dann automatisch an den jeweils genutzten Endeffektor und an sein jeweiliges Gefährdungs- oder Schädigungspotenzial angepasst.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Vorgeben des ersten Sicherheitsgrenzwertes in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Kraft- und/oder Momenteinwirkung auf den funktionsspezifischen Endeffektor und/oder in Abhängigkeit einer vorgegebenen Kraft- und/oder Momentauswirkung durch den funktionsspezifischen Endeffektor erfolgt. Der erste Sicherheitsgrenzwert kann so für einen Ablauf, bei welchem vorgegebene Kraft- und/oder Momentein- und/oder Kraft- und/oder Momentauswirkungen, zusammengefasst Kraft- und/oder Momentwirkungen, zu erwarten sind, spezifisch vorgegeben werden. Bei der Kraft- und/oder Momentauswirkung durch den funktionsspezifischen Endeffektor kann es sich beispielsweise um eine Kraft- und/oder Momentauswirkung durch ein an dem funktionsspezifischen Endeffektor angebrachtes Werkzeug handeln. Die vorgegebene Kraft- und/oder Momentauswirkung durch den funktionsspezifischen Endeffektor kann auf ein anderes Gerät oder auf einen Menschen, beispielsweise einen Patienten oder einen Teil eines Patienten, erfolgen. Die Kraft- und/oder Momenteinwirkung kann hier sowohl durch einen Menschen, beispielsweise einen Patienten oder einen Teil eines Patienten oder eine Bedienperson, als auch durch ein anderes Gerät erfolgen. Die vorgegebene Kraft- und/oder Momenteinwirkung und/oder die vorgegebene Kraft- und/oder Momentauswirkung kann hier in einem Betrieb, zum Beispiel in einer spezifischen Betriebsphase, eine erwünschte oder erwartete Kraft- und/oder Momentwirkung sein.
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Das hat den Vorteil, dass die Sicherheitsreserven über das Vorgeben des ersten Sicherheitsgrenzwertes an unterschiedliche Betriebsphasen des robotischen Gerätes angepasst werden können. Es wird so auch ein Beeinträchtigen des Betriebs durch unpassende Sicherheitsreserven, beispielsweise wenn in einer Betriebsphase ein Auftreten besonders großer Kräfte, Geschwindigkeiten oder Drehmomente bewusst vorgesehen ist, ausgeschlossen. Auch eine in einer Betriebsphase beabsichtigte Kraft- und/oder Momentauswirkung des robotischen Gerätes kann so besonders genau kontrolliert und eingestellt werden, da das Anpassen der Charakteristik mit der von dem Gerät ausgeübten Kraft- und/oder Momentauswirkung nicht interferiert und die beabsichtigte Kraft- und/oder Momentauswirkung so nicht verfälscht wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Kraft- und/oder Momentwirkung, also die jeweilige Ein- oder Auswirkung, auf einer vorgegebenen Kraft- und/oder Momentänderung beruht. Die Kraft- und/oder Momentänderung ist bevorzugt auf einen vorgegeben Betrag einer zurückgelegten Wegstrecke eines funktionsspezifischen Endglieds der kinematischen Kette normiert. Die vorgegebene Kraft- und/oder Momentwirkung kann also über eine Kraft- und/oder Momentänderung pro Weg definiert sein. Das hat den Vorteil, dass die jeweilige Kraft- und/oder Momentwirkung und entsprechende Wirkungen des robotischen Geräts besonders genau eingestellt werden können.
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Insbesondere kann hier vorgesehen sein, dass die vorgegebene Kraft- und/oder Momenteinwirkung durch eine Bedienhandlung an dem robotischen Gerät bewirkt wird, insbesondere durch ein Führen der kinematischen Kette mittels einer Hand einer Bedienperson, und/oder die vorgegebene Kraft- und/oder Momentauswirkung durch das Gerät eine Folge einer Bedienhandlung umfasst. Es kann sich bei der Bedienhandlung hier insbesondere um eine Bedienhandlung in einem sogenannten Gravitations-Kompensations-Modus des robotischen Gerätes handeln. In einem solchen wird in Abhängigkeit von einer erfassten Kraft und/oder von einem erfassten Moment eine Bewegung des robotischen Geräts, insbesondere des Endeffektors, in Richtung der ausgeübten Kraft bewirkt. Der Einfluss der Schwerkraft wird dabei automatisch kompensiert. Das robotische Gerät kann somit durch eine Bedienperson geführt werden, indem diese mit einer Hand eine Kraft auf den Endeffektor oder eine andere bewegbare Komponente der kinematischen Kette in eine gewünschte Bewegungsrichtung ausübt.
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Das hat den Vorteil, dass ein besonders präzises Vorgeben einer Kraft- und/oder Momenteinwirkung und einer Kraft- und/oder Momentauswirkung möglich ist, so dass über das Vorgeben des ersten Sicherheitsgrenzwertes ein genaues Einstellen einer passenden Sicherheitsreserve möglich ist. Es können so beispielsweise auch Gegenbewegungen externen Ursprungs, beispielsweise Reflexe eines Patienten, in ihrer Auswirkung auf eine vorgegebene Kraft- und/oder Momentauswirkung durch das robotische Gerät kompensiert werden. Dadurch wird eine Verfälschung einer gezielten Kraft- und/oder Momentauswirkung verringert oder ausgeschlossen und wiederum die Sicherheit des robotischen Geräts erhöht.
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Besonders vorteilhaft ist hier ein Ermitteln einer Position einer der vorgegebenen Kraft- und/oder Momenteinwirkung zugeordneten Struktur, insbesondere einer anatomischen Struktur, durch ein Ermitteln einer Position und/oder Orientierung des funktionsspezifischen Endeffektors zum Zeitpunkt der vorgegebenen Kraft- und/oder Momenteinwirkung oder zum Zeitpunkt des Anpassens. Bei der anatomischen Struktur kann es sich hier insbesondere um ein Organ und/oder einen Tumor und/oder einen Knochen handeln. Es kann so eine Struktur über eine bekannte mechanische Eigenschaft der Struktur einer vorgegebenen Kraft- und/oder Momenteinwirkung zugeordnet sein. Beispielsweise kann es bekannt sein, dass ein Tumor fester ist, als ein den Tumor umgebendes Organ. Eine Kraft- und/oder Momenteinwirkung auf den Endeffektor wird also bei einem Durchdringen des umgebenden Organs geringer sein, als bei einem Durchdringen des Tumors. Entspricht die ermittelte, auf den Endeffektor einwirkende Kraft oder Größe also zu einem Zeitpunkt einer hier für den Tumor vorgegebenen Kraft- und/oder Momenteinwirkung, so entspricht die Position des Endeffektors dann einer Position des Tumors. Der erste Sicherheitsgrenzwert kann hier so gewählt sein, dass die Charakteristik zum Zeitpunkt des Auftretens der vorgegebenen Kraft- und/oder Momenteinwirkung angepasst wird. Damit kann eine Kraft auf den Tumor, oder allgemeiner auf die der Kraft- und/oder Momenteinwirkung zugeordnete Struktur, verhindert werden. Damit kann ein weiteres, möglicherweise gefährliches, Eindringen des Endeffektors oder eines Werkzeugs des Endeffektors in die anatomische Struktur oder ein Verformen derselben verhindert werden. Es kann auf diese Weise auch ein Abtasten und Erkennen von Strukturen erfolgen, indem über eine Reihe von derartigen Positions- und/oder Orientierungsbestimmungen eine Reihe von Positionen und/oder Orientierungen ermittelt wird, aus welchen eine Oberfläche der Struktur bestimmbar ist. Aus dieser Oberfläche kann eine Form und/oder eine Größe der Struktur ermittelt und die Struktur erkannt werden. Beispielsweise kann so die Größe eines Tumors bestimmt werden. Diese Kenntnis kann für diagnostische Zwecke oder beispielsweise im weiteren Verfahrensverlauf zum Definieren eines Raumbereichs, in welchem ein vorgegebener Sicherheitsgrenzwert gilt, genutzt werden.
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Das hat den Vorteil, dass ein Platzieren des Endeffektors an einer Oberfläche einer Struktur erfolgen kann, ohne dass diese Struktur beschädigt, verformt oder verschoben wird. Überdies kann so die Position der Struktur ermittelt werden, ohne dass weitere Maßnahmen erforderlich wären. Gerade in einem medizinischen Ablauf können so weitere Schritte, wie beispielsweise ein mit einer Strahlenbelastung einhergehendes bildgebendes Verfahren oder auch weitere Geräte, welche dem Erfassen einer Position einer anatomischen Struktur dienen, vermieden werden. Die Folge ist, dass der Endeffektor mit einer erhöhten Genauigkeit positioniert werden kann. Dies erfolgt überdies bei einem gesteigerten Komfort mit weniger Geräten und ohne zusätzliche Verfahrensschritte.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass ein Vorgeben eines zweiten, insbesondere höheren, Sicherheitsgrenzwertes durchgeführt wird, sowie dass ein Vergleichen der ermittelten Kraft oder Größe auch mit dem zweiten Sicherheitsgrenzwert erfolgt. Auch ein Ausgeben eines Warnsignals an eine Bedienperson wird hier durchgeführt, wenn die ermittelte Kraft oder Größe in einer vorgegebenen Relation zu dem zweiten Sicherheitswert steht, insbesondere wenn die ermittelte Kraft oder Größe größer als der zweite Sicherheitsgrenzwert ist. Bei dem Warnsignal kann es sich um ein optisches und/oder akustisches Warnsignal handeln. Das hat den Vorteil, dass so vor besonders gefährlichen Situationen gewarnt werden kann. Ist der zweite Sicherheitsgrenzwert höher als der erste Sicherheitsgrenzwert, so kann eine Bedienperson auf ein gefährliches Überschreiten des ersten Sicherheitsgrenzwertes hingewiesen werden. Dies erfolgt selbst wenn, beispielsweise auf Grund einer Masseträgheit des robotischen Systems, ein Anpassen noch nicht oder nicht in einer erforderlichen Geschwindigkeit erfolgt ist. Ist der zweite Sicherheitsgrenzwert unter dem ersten Sicherheitsgrenzwert, so wird die Bedienperson bereits auf ein Annähern an eine kritische Situation, wie sie durch den ersten Sicherheitsgrenzwert repräsentiert ist, aufmerksam gemacht.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Anpassen der Charakteristik grundsätzlich in mehreren Schritten erfolgt und dabei insbesondere in einem oder mehreren der Schritte jeweils eine Warnung an die Bedienperson ausgegeben wird. Das hat den Vorteil, dass ein für die Bedienperson überraschendes Anpassen vermieden wird. Damit sind auch unüberlegte Reflexe seitens der Bedienperson, welche möglicherweise eine Gefährdung darstellen, nicht zu erwarten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Vorgeben eines ersten und eines zweiten Wertes für den ersten Sicherheitsgrenzwert und ein Auswählen des ersten oder des zweiten Wertes als den ersten Sicherheitsgrenzwert für das Vergleichen mit der Kraft oder Größe vorgesehen. So können zwei unterschiedliche Betriebsmodi für das robotische Gerät eingestellt werden, zwischen denen durch das Auswählen des ersten oder des zweiten Werts für den ersten Sicherheitsgrenzwert hin- und hergeschaltet werden kann. Insbesondere kann so auch ein sogenannter „locked mode“ realisiert werden, indem beispielsweise der erste Wert einen negativen Betrag hat, so dass der Sicherheitsgrenzwert bereits durch einen ruhenden Endeffektor, auf den keine Kraft außer der Schwerkraft einwirkt, übertroffen wird. In Folge kann dann zum Beispiel die Steifigkeit auf einen vorgegebenen großen Wert angepasst werden, so dass der Endeffektor faktisch in der Ruheposition und/oder Ruheorientierung blockiert ist. Ein solcher „locked mode“, in welchem ein Bewegen des robotischen Geräts unmöglich ist, kann alternativ auch direkt aktiviert werden. Das hat den Vorteil, dass die Flexibilität des robotischen Gerätes erhöht wird. Durch das Umschalten beziehungsweise An- und Abschalten unterschiedlicher Modi kann so ein schnelles Anpassen des robotischen Gerätes auf eine geändert Situation erfolgen, was eine Erhöhung der Sicherheit nach sich zieht.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Vorgeben des ersten Sicherheitsgrenzwertes in Abhängigkeit der erfassten Sensorwerte. Dies kann in Abhängigkeit von über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg erfassten Sensorwerten erfolgen. Es ist so auch ein sogenanntes Losbrechmoment realisierbar. Ein solches Losbrechmoment bewirkt, dass ein ruhender Endeffektor eine einen Mindestwert, beispielsweise 3 Newton (N), übersteigende Kraft oder Größe als Bedienhandlung erfordert, um in Bewegung versetzt zu werden. Sobald die Mindestkraft aufgebracht ist, ist der Endeffektor frei beweglich. Unterschreitet die Kraft der Bedienhandlung danach einen weiteren Grenzbetrag, beispielsweise 1 Newton, so kann der Endeffektor wieder für ein Bewegen gesperrt werden.
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Ein derartiges Verhalten kann beispielsweise erreicht werden, indem der erste Sicherheitsgrenzwert zunächst auf Null oder einen negativen Betrag gesetzt wird, so dass er auch in einer Ruheposition und/oder Ruheorientierung des Endeffektors von der ermittelten Kraft oder Größe überschritten ist. Eine Bedienhandlung mit einer Kraft von zum Beispiel 2 Newton hat somit keine Bewegung des Endeffektors zur Folge. Nimmt die ermittelte Kraft oder Größe nun einen Wert über dem Mindestwert an, beispielsweise also mehr als 3 Newton, so wird der erste Sicherheitsgrenzwert auf einen erhöhten Wert, beispielsweise 10 Newton, angehoben und der Endeffektor ist frei bewegbar. Sinkt die ermittelte Kraft oder Größe nun unter einen weiteren vorgegebenen Wert, beispielsweise auf unter 1 Newton, so wird der Sicherheitsgrenzwert hier wieder auf den vorherigen, beispielsweise negativen Wert abgesenkt. Entsprechend wird aufgrund des Überschreitens des Sicherheitsgrenzwertes hier nun die Charakteristik entsprechend angepasst. Wie zuvor ist ein Ruhen oder Blockieren des Endeffektors die Folge.
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Es können so auch unabhängig von einem fest vorgegebenen Grenzwert beispielsweise plötzliche, unerwartete Änderungen der Sensorwerte zu einem Anpassen einer Charakteristik führen. Das hat den Vorteil, dass in Abhängigkeit von Betriebsphasen, in denen beispielsweise bestimmte Werte für bestimmte Charakteristiken üblich sind, unterschiedliche Sicherheitspuffer realisiert werden können. Es ist somit die Flexibilität des robotischen Gerätes maximiert und die Sicherheit verbessert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Vorgeben des ersten Sicherheitsgrenzwertes in Abhängigkeit von einer Position und/oder Orientierung des funktionsspezifischen Endeffektors der kinematischen Kette und/oder eines Gelenkwinkels zwischen zwei bewegbaren Komponenten der kinematischen Kette erfolgt. Die Position und/oder Orientierung kann insbesondere relativ zu einer weiteren vorbestimmten Position und/oder Orientierung bestimmt werden. Die weitere vorgegebene Position und/oder Orientierung kann beispielsweise eine anatomische Struktur, insbesondere ein Organ und/oder einen Tumor, umfassen. Der erste Sicherheitsgrenzwert kann somit in Abhängigkeit von einem Abstand des Endeffektors von der weiteren vorbestimmten Position vorgegeben werden. Es kann die Charakteristik bei einem Annähern an eine bestimmte Position und/oder Orientierung über das von der Position und/oder Orientierung und somit insbesondere von dem Abstand abhängige Vorgeben des ersten Sicherheitsgrenzwerts angepasst werden. Das hat den Vorteil, dass ein besonders flexibles Anpassen des Sicherheitsgrenzwertes und damit der Sicherheitsreserven an eine Situation vorgenommen wird. So wird eine große Sicherheit des robotischen Gerätes kombiniert mit einer praktischen Handhabung, welche auf individuell vorliegende Bedingungen räumlicher Art angepasst werden kann.
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Insbesondere kann hier ein Überprüfen, in welchen von mehreren vorbestimmten Raumbereichen die Position des funktionsspezifischen Endeffektors liegt, vorgesehen sein, sowie ein Berücksichtigen eines Ergebnisses des Überprüfens bei dem Vorgeben des ersten Sicherheitsgrenzwertes in Abhängigkeit von der Position und/oder der Orientierung und/oder dem Gelenkwinkel. Bei den vorbestimmten Raumbereichen kann es sich um Raumbereiche im Inneren eines Patienten handeln, welche von jeweiligen anatomischen Strukturen, beispielsweise von Knochen und/oder Organen, eingenommen sind. Ebenfalls kann es sich bei den Raumbereichen um jeweilige Umgebungsbereiche von anatomischen Strukturen im Inneren eines Patienten handeln. Es kann bei dem Überprüfen auch lediglich überprüft werden, ob die Position des Endeffektors innerhalb eines vorbestimmten Raumbereichs liegt oder nicht.
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Es kann über eine geeignete Definition der entsprechenden Raumbereiche und ein Vorgeben eines jeweils gültigen ersten Sicherheitsgrenzwertes beispielsweise ein Umfahren einer anatomischen Struktur eines Patienten, beispielsweise eines empfindlichen Organs oder eines Knochens, durch den funktionsspezifischen Endeffektor oder durch ein an dem Endeffektor angebrachtes Werkzeug, unterstützt werden. Das hat den Vorteil, dass ein unbeabsichtigtes Einbringen des Endeffektors in einen Raumbereich, welcher nicht für diesen vorgesehen ist, erschwert ist. Insgesamt wird die Sicherheit des robotischen Gerätes so erhöht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Vorgeben des ersten Sicherheitsgrenzwerts (S) in Abhängigkeit von einem Gelenkwinkelbetrag eines Gelenks und/oder einer Kombination von Gelenkwinkelbeträgen mehrerer Gelenke zwischen bewegbaren Komponenten der kinematischen Kette erfolgt. Dabei kann überprüft werden, ob der oder die Gelenkwinkelbetrag bzw. -beträge in einem oder mehreren vorgegebenen Bereich bzw. Bereichen liegen. Das hat den Vorteil, dass ein Bewegen des robotischen Geräts, bzw. der kinematischen Kette, in Winkelbereiche, in welchen die Bewegungsmöglichkeiten des robotischen Geräts und damit beispielsweise Ausweichmöglichkeiten reduziert sind, vermieden werden können. Es kann so beispielsweise ein Bewegen eines Gelenks in einen zugehörigen Grenzbereich, in welchem eine spezifische Bewegung des Gelenks nicht mehr möglich ist, verhindert werden und zum Beispiel durch eine Kombination von Bewegungen anderer Gelenke kompensiert, also ein äquivalentes Bewegen des robotischen Geräts erzielt werden.
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Es kann hier weiterhin vorgesehen sein, dass ein Anpassen der Charakteristik erfolgt, wenn die Kraft oder Größe unter dem ersten Sicherheitsgrenzwert liegt, falls die erfassten Sensorwerte für ein vorgegebenes Zeitintervall vorbestimmte Werte einnehmen. Insbesondere erfolgt ein Anpassen, wenn die erfassten Werte für ein vorgegebenes Zeitintervall ein Ruhen des Endeffektors repräsentieren. Es kann so bei einer Nicht-Bedienung über ein vorgegebenes Zeitintervall hinweg ein Anpassen der Charakteristik in Form eines Sperrens von Bewegungen des Endeffektors erfolgen. Das hat den Vorteil, dass in einer Ruhephase des robotischen Gerätes, in welcher dieses keine Bedienhandlung empfängt, unbemerkte geringfügige Bewegungen des robotischen Gerätes, ein sogenanntes Driften, verhindert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Anpassen ein Begrenzen einer Bewegung des funktionsspezifischen Endeffektors und/oder einer bewegbaren Komponente um zumindest ein Gelenk oder einer kombinierten Bewegung um mehrere Gelenke der kinematischen Kette umfasst, insbesondere ein Reduzieren der Bewegung des funktionsspezifischen Endeffektors um einen Freiheitsgrad. Der Freiheitsgrad kann hier ein rotatorischer und/oder ein translatorischer Freiheitsgrad in einem kartesischen Bezugssystem sein. Es kann also ein Gelenk oder eine Kombination von Gelenken in seinen bzw. ihren Bewegungen begrenzt werden. Das hat den Vorteil, dass durch das Begrenzen der Bewegung das Verhalten des Endeffektors für eine menschliche Bedienperson vorhersehbarer wird, so dass eine Verletzungsgefahr sinkt und die Sicherheit erhöht ist. Es können so auch leicht für einen Patienten besonders gefährliche Bewegungen ausgeschlossen werden oder bestimmte Raumbereiche für den Endeffektor gesperrt werden. Gerade durch Begrenzen einer Bewegung um eine Kombination von Gelenken kann das Verhalten des robotischen Geräts besonders flexibel begrenzt werden. Es kann so auch ein Begrenzen eines ersten Gelenks flexibel durch ein Begrenzen eines oder mehrerer weiterer Gelenke erfolgen, sodass das robotische Gerät unter Beibehaltung der Begrenzung in einem für das robotische Gerät optimalen Parameterbereich betrieben werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei dem robotischen Gerät um ein medizinisch-robotisches, insbesondere um ein medizinisch-operatives Gerät, welches bei einem medizinisch-operativen und/oder medizinisch-diagnostischen Vorgang eingesetzt wird. Insbesondere kann es sich bei dem robotischen Gerät um ein Haltegerät für eine Biopsienadel oder für eine Pedikelschraube oder für ein Endoskop oder um ein Ultraschallgerät handeln. Das hat den Vorteil, dass so eine genau kontrollierbare Kraft auf den Patienten oder eine anatomische Struktur des Patienten ausgeübt werden kann. Es wird auch ein Schaden außerhalb eines vorgegebenen Operationsbereiches vermieden. Gerade bei einem Haltegerät können Schäden an einer den Operationsbereich umgebenden anatomischen Struktur vermieden werden, da eine durch das Haltegerät geführte Kraft gezielt übertragen wird. Bei einem diagnostischen Gerät, wie beispielsweise einem Ultraschallgerät, kann so eine sehr genaue Positionierung erfolgen.
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Es kann hier insbesondere vorgesehen sein, dass die vorgegebene Kraft- und/oder Momenteinwirkung auf das medizinisch-robotische Gerät durch eine Bewegung eines Teilbereichs des Patienten, insbesondere einer vorgegebenen anatomischen Struktur des Patienten, erfolgt und/oder die vorgegebene Kraft- und/oder Momentauswirkung durch das medizinisch-robotische Gerät auf einen Teilbereich des Patienten erfolgt, insbesondere auf eine vorgegebene anatomische Struktur des Patienten. Es kann so eine vorgegebene Kraft zwischen der anatomischen Struktur und dem robotischen Gerät eingestellt werden, so dass das robotische Gerät automatisch in einer vorgegebenen Position und/oder Orientierung relativ zu einer anatomischen Struktur gehalten ist, selbst wenn diese sich bewegt. Das hat den Vorteil, dass automatisch eine Kompensation erfolgt von Bewegungen von dem Patienten oder von Teilbereichen des Patienten, wie es beispielsweise durch den Herzschlag, die Atmung, ein Bewegen oder durch Reflexe bewirkt werden kann. Es ist so auch ein Schädigen eines zu dem Endeffektor benachbarten Bereichs des Patienten durch eine derartige Bewegung verhindert.
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Die Erfindung umfasst auch ein robotisches Gerät mit einer kinematischen Kette von bewegbaren Komponenten, welche an ihrem einen Ende einen funktionsspezifischen Endeffektor aufweist, und mit mehreren Sensoren, welche an der kinematischen Kette angeordnet sind und ausgelegt sind, jeweilige Sensorwerte zu erfassen. Das robotische Gerät kann auch mehrere kinematische Ketten aufweisen. Das robotische Gerät ist insbesondere ein automatisiertes, bevorzugt ein teil- oder vollautomatisiertes robotisches Gerät. Ein Werkzeug, welches an dem funktionsspezifischen Endeffektor angebracht ist, ist hier insbesondere als Teil des Endeffektors und damit Teil der kinematischen Kette zu betrachten. Dabei umfasst das robotische Gerät auch eine Steuereinrichtung, welche ausgelegt ist, auf Basis der erfassten Sensorwerte eine auf den Endeffektor einwirkende Kraft oder eine von dieser Kraft in vorgegebener Weise abhängige Größe zu ermitteln, die ermittelte Kraft oder Größe mit einem vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert zu vergleichen und eine Charakteristik der kinematischen Kette oder des funktionsspezifischen Endeffektors anzupassen, falls die erfasste Kraft oder Größe in einer vorgegebenen Relation zu dem ersten Sicherheitsgrenzwert steht. Insbesondere ist die Steuereinrichtung ausgelegt, die Charakteristik anzupassen, falls die erfasste Kraft oder Größe größer als der erste Sicherheitsgrenzwert ist. Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen entsprechen hier den Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens.
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So ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das robotische Gerät Mittel aufweist, um ein ungewolltes Bewegen der bewegbaren Komponenten, insbesondere der von dem Endeffektor verschiedenen bewegbaren Komponenten, in einen von einem Menschen eingenommenen Raumbereich zu verhindern und/oder einem Menschen, welcher sich in einen von dem Roboter eingenommenen Raumbereich hineinbewegt, auszuweichen oder nachzugeben, sodass insbesondere das robotische Gerät für eine Mensch-Roboter-Kooperation geeignet ist. Die Mittel können beispielsweise Kameras und/oder Drucksensoren an einer Außenfläche des robotischen Gerätes umfassen, wie sie zu dem Zweck einer Mensch-Roboter-Kooperation aus dem Stand der Technik bekannt sind. Das robotische Gerät beziehungsweise eine bewegbare Komponente des robotischen Geräts kann somit gefahrlos durch eine Bedienperson geführt und damit gesteuert werden. Das hat den Vorteil, dass das robotische Gerät besonders flexibel an die wechselnden Anforderungen der Mensch-Roboter-Kooperation angepasst und leicht in unterschiedlichen Szenarien genutzt werden kann. Gerade bei einer Verwendung in unterschiedlichen Szenarien wie es bei einem medizinisch-robotischen Gerät zu erwarten ist, ist eine sich automatisch anpassende oder leicht anpassbare Sicherheitsreserve, wie die Erfindung sie bietet, besonders vorteilhaft.
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Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines robotischen Gerätes; und
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2 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines robotischen Gerätes.
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In den FIG werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines robotischen Gerätes. Das Verfahren umfasst vorliegend vier aufeinander folgende Schritte, welche hier wiederholt durchlaufen werden. Das Verfahren wird vorliegend also quasi-kontinuierlich durchgeführt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem robotischen Gerät um ein medizinisch-robotisches Gerät mit einer kinematischen Kette von bewegbaren Komponenten, wobei die kinematische Kette an ihrem Ende einen beispielsweise als Bohrer ausgeführten funktionsspezifischen Endeffektor aufweist.
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Der erste Schritt ist hier ein Erfassen 1 jeweiliger Sensorwerte mittels an der kinematischen Kette angeordneter Sensoren. Die Sensoren sind im gezeigten Beispiel als Drehmomentsensoren an Gelenken der kinematischen Kette ausgeführt. Der zweite Schritt ist ein Ermitteln 2 einer auf den als Bohrer ausgeführten Endeffektor einwirkenden Kraft F auf Basis der erfassten Sensorwerte. Ist der Endeffektor nun in Betrieb und bohrt beispielsweise in einen Knochen, so wird auf den Endeffektor parallel zu einer Bohrachse die ermittelte Kraft F einwirken.
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In einem nächsten Schritt erfolgt ein Vergleichen 3 der ermittelten Kraft F mit einem vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert SF. Vorliegend wird also eine auf den als Bohrer ausgeführten Endeffektor parallel zur Bohrachse einwirkende Kraft F mit einem vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert SF verglichen. Befindet sich der Bohrer noch innerhalb des Knochens, so ist diesem ein erheblicher Widerstand entgegengesetzt, so dass die ermittelte Kraft F den ersten Sicherheitsgrenzwert SF übertrifft. Entsprechend wird vorliegend mit dem Erfassen 1 der jeweiligen Sensorwerte fortgefahren und kein Anpassen 4 einer Charakteristik durchgeführt.
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Bohrt der Bohrer nun durch den Knochen hindurch, so reduziert sich schlagartig der Widerstand in Richtung der Bohrachse und die ermittelte Kraft F auf den Endeffektor in Richtung der Bohrachse wird den vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert SF unterschreiten. Entsprechend erfolgt dann in diesem Beispiel ein Anpassen 4 einer Charakteristik der kinematischen Kette beziehungsweise des funktionsspezifischen Endeffektors. Dies geschieht vorliegend, indem die Geschwindigkeit des Endeffektors in Richtung der Bohrachse auf Null gesetzt wird, so dass dieser nicht in gesundes, den Knochen umgebendes Gewebe hineinbohrt.
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Alternativ oder ergänzend kann das Ermitteln 2 auch ein auf den Endeffektor, vorliegend den Bohrer, einwirkendes Drehmoment M als von einer Kraft abhängigen Größe betreffen. Es wird dann bei dem Vergleichen 3 dieses Drehmoment M mit einem vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert SM verglichen, welcher dann selbstverständlich auf zu erwartende Werte des Drehmoments M abgestimmt ist. So ist im vorliegenden Beispiel mit einem gleichmäßigen Drehmoment M während eines ordnungsgemäßen Bohrvorgangs zu rechnen. Das Vergleichen 3 liefert in diesem Fall also ein Drehmoment M, welches unter dem vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert SM liegt. Entsprechend erfolgt hier kein Anpassen 4 und der Bohrvorgang und im gezeigten Beispiel weiterhin auch das Erfassen 1 der entsprechenden Sensorwerte wird fortgeführt.
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Verkantet sich nun beispielsweise der Bohrer in dem Knochen, möglicherweise durch eine Bewegung des Patienten, so wird das Drehmoment M schlagartig ansteigen. Entsprechend liefert das Vergleichen 3 nun, dass das Drehmoment M den ersten vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert SM übertrifft. Es folgt das Anpassen 4 einer Charakteristik des funktionsspezifischen Endeffektors, vorliegend ein Reduzieren des Drehmoments M auf Null, indem der Bohrvorgang gestoppt wird. Damit kann ein Schädigen des Knochens verhindert werden und die Genauigkeit des Bohrlochs bleibt in größtmöglichem Maße erhalten.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines robotischen Gerätes dargestellt. Im vorliegenden Beispiel ist der funktionsspezifische Endeffektor der kinematischen Kette des robotischen Gerätes als eine Nadel ausgeführt. Diese wird entlang einer Achse in einen Patienten eingeführt, beispielsweise um einen Tumor zu lokalisieren und möglicherweise eine Probe des Tumors zu entnehmen.
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Da der Tumor im vorliegenden Beispiel über eine bekannte, das den Tumor umgebende Gewebe übersteigende Festigkeit verfügt, oder eine Festigkeit in einem bekannten Bereich aufweist, wird bei einem Treffen der Nadel auf den Tumor eine vorgegebene Krafteinwirkung auf den funktionsspezifischen Endeffektor wirken. Diese Krafteinwirkung wird sich von der Krafteinwirkung bei einem Durchdringen des den Tumor ungebenden Gewebes unterscheiden.
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Entsprechend ist hier der erste Schritt des Verfahrens ein Vorgeben 5 des ersten Sicherheitsgrenzwerts SF in Abhängigkeit von der vorgegebenen Krafteinwirkung auf den funktionsspezifischen Endeffektor, die vorliegend bei dem Treffen der Nadel auf den Tumor erwartet wird. Während der Endeffektor bewegt wird, vorliegend also die Nadel in den Patienten eingeführt wird, wird hier entsprechend fortlaufend ein Erfassen 1 jeweiliger Sensorwerte durch an der kinematischen Kette angeordnete Sensoren durchgeführt.
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Das Ermitteln 2 der auf den Endeffektor einwirkenden Kraft F auf Basis der Sensorwerte ist der nächste Schritt. Nach einem Vergleichen 3 der ermittelten Kraft F mit dem vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert SF durch eine Steuereinrichtung des robotischen Gerätes erfolgt das weitere Bewegen des Endeffektors in diesem Beispiel nur, falls die ermittelte Kraft F den ersten Sicherheitsgrenzwert SF nicht übertrifft. Entsprechend wird die Nadel weiter in den Patienten eingeführt, solange diese den Tumor noch nicht erreicht hat.
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Erreicht die Nadel jedoch den Tumor, so steigt der mechanische Widerstand auf die Nadel und die ermittelte Kraft F übertrifft den ersten Sicherheitsgrenzwert SF. Entsprechend erfolgt das Anpassen 4 einer Charakteristik des funktionsspezifischen Endeffektors, vorliegend ein Setzen der Geschwindigkeit des Endeffektors in Richtung der Nadelachse auf Null. In einem letzten Schritt erfolgt vorliegend dann ein Ermitteln 6 einer Position des funktionsspezifischen Endeffektors, aus welcher sich die Position des Tumors bestimmen lässt. Auf diese Weise lassen sich nicht nur Tumoren, sondern auch andere anatomische Strukturen wie beispielsweise Organe lokalisieren. Durch das Anpassen 4 der Charakteristik, beispielsweise einer Geschwindigkeit des Endeffektors oder einer an dem Endeffektor wirkenden Kraft F, kann ein Verformen oder ein Verletzen des lokalisierten Organs oder der lokalisierten anatomischen Struktur vermieden werden.
