DE102015009892A1 - Method and system for controlling a robot - Google Patents
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Abstract
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern eines Roboters (30), insbesondere einer medizinischen Applikation, umfasst die Schritte: – Ermitteln (S10–S40) einer Kollisions-Kraft ([Fc,x, Fc,y, Fc,z]) auf Basis einer modellgestützt ermittelten externen Kraft (Fe, [F'e,x, F'e,y, F'e,z]), die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert, eines Positionsfehlers ([Δx, Δy, Δz]) des Roboters und einer Pose (z) und/oder Geschwindigkeit ([dx/dt, dy/dt]) des Roboters; und – Erfassen (S50) einer Kollision des Roboters auf Basis dieser Kollisions-Kraft.A method according to the invention for controlling a robot (30), in particular a medical application, comprises the steps: - determining (S10-S40) a collision force ([Fc, x, Fc, y, Fc, z]) based on a model determined external force (Fe, [F'e, x, F'e, y, F'e, z]) resulting from an external load of the robot, a position error ([Δx, Δy, Δz]) of the robot and a pose (z) and / or velocity ([dx / dt, dy / dt]) of the robot; and detecting (S50) a collision of the robot based on this collision force.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Steuern eines Roboters sowie eine Roboteranordnung mit dem System und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method and a system for controlling a robot as well as a robot arrangement with the system and a computer program product for carrying out the method.
Insbesondere bei medizinischen Applikationen wie beispielsweise der robotergestützten Sonographie kann es wünschenswert sein, einen Kontakt des Roboters bzw. robotergeführten medizinischen Geräts zu erfassen und anschließend ein Kraftfeedback an einem haptischen Eingabegerät des Roboters zur Verfügung zu stellen.In particular, in medical applications such as robot-assisted sonography, it may be desirable to detect a contact of the robot or robotic medical device and then provide a force feedback to a haptic input device of the robot.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Steuerung eines Roboters zu verbessern.The object of the present invention is to improve the control of a robot.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 7 bis 9 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens bzw. eine Roboteranordnung mit einem hier beschriebenen System unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Claims 7 to 9 protect a system or computer program product for carrying out a method described here or a robot arrangement with a system described here. The subclaims relate to advantageous developments.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, insbesondere einer medizinischen Applikation, die Schritte:
- – Ermitteln einer Kollisions-Kraft auf Basis einer modellgestützt ermittelten externen Kraft, die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert, eines Positionsfehlers des Roboters und einer Pose und/oder Geschwindigkeit des Roboters; und
- – Erfassen einer Kollision des Roboters auf Basis dieser Kollisions-Kraft.
- - determining a collision force on the basis of a model-based determined external force resulting from an external load of the robot, a position error of the robot and a pose and / or speed of the robot; and
- Detecting a collision of the robot based on this collision force.
Ein System zum Steuern eines Roboters, insbesondere einer medizinischen Applikation, nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, insbesondere hard- und/oder software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
- – Mittel zum Ermitteln einer Kollisions-Kraft auf Basis einer modellgestützt ermittelten externen Kraft, die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert, eines Positionsfehlers des Roboters und einer Pose und/oder Geschwindigkeit des Roboters; und
- – Mittel zum Erfassen einer Kollision des Roboters auf Basis dieser Kollisions-Kraft,
- - Means for determining a collision force based on a model-based determined external force resulting from an external load of the robot, a position error of the robot and a pose and / or speed of the robot; and
- Means for detecting a collision of the robot on the basis of this collision force,
Hierdurch kann in einer Ausführung eine Kollision eines Roboters vorteilhaft erfasst werden. Insbesondere kann durch die Berücksichtigung einer modellgestützt ermittelten externen Kraft, die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert, anstelle einer gemessenen G(esamtg)elenkkraft die Erfassung verbessert werden, insbesondere durch ein Fuzzy-System, das dann nicht mehr die Funktionalität eines Modells zur Ermittlung der externen Kraft mit erfüllen muss.As a result, a collision of a robot can advantageously be detected in one embodiment. In particular, by taking into account a model-based determined external force resulting from an external load of the robot, instead of a measured G (esamtg) elenkkraft detection can be improved, in particular by a fuzzy system, which then no longer the functionality of a model for determining the external force must comply with.
Der Roboter weist in einer Ausführung wenigstens sechs, insbesondere wenigstens sieben, aktuierbare bzw. aktuierte Gelenke auf. In einer Ausführung, in der eine medizinische Applikation des Roboters gesteuert wird, führt er ein medizinisches Instrument, insbesondere einen Ultraschallkopf oder dergleichen.In one embodiment, the robot has at least six, in particular at least seven, actuatable or actuated joints. In an embodiment in which a medical application of the robot is controlled, it carries a medical instrument, in particular an ultrasound head or the like.
Zur kompakteren Darstellung wird vorliegend auch ein antiparalleles Kräftepaar bzw. Drehmoment verallgemeinernd als Kraft bezeichnet. Eine Kraft, insbesondere die ermittelte Kollisions-Kraft, die modellgestützt ermittelte externe Kraft und/oder eine nachfolgend erläuterte Feedback-Kraft, kann insbesondere eine kartesische Kraft mit Komponenten in einer oder mehreren kartesischen Richtungen insbesondere eines inertialen bzw. roboterbasisfesten oder roboterendgliedfesten Koordinatensystems umfassen, insbesondere sein.For a more compact representation, an anti-parallel force pair or torque is generally referred to herein as a force. A force, in particular the determined collision force, the model-based determined external force and / or a feedback force explained below, may in particular comprise a Cartesian force with components in one or more Cartesian directions, in particular of an inertial or robot base fixed or robot end member fixed coordinate system, in particular be.
Ein Positionsfehler hängt in einer Ausführung von einer Abweichung zwischen einer tatsächlichen, insbesondere gemessenen, Pose des Roboters und einer Soll-, insbesondere kommandierten, Pose des Roboters ab, insbesondere von einer Abweichung zwischen einer tatsächlichen und einer Soll-Lage und/oder -Orientierung einer roboterfesten Referenz, insbesondere des TCPs, er kann insbesondere die Abweichung angeben bzw. sein.In one embodiment, a position error depends on a deviation between an actual, in particular measured, pose of the robot and a desired, in particular commanded, pose of the robot, in particular a deviation between an actual position and a desired position and / or orientation of a robot robot-fixed reference, in particular the TCPs, he can specify or be particular the deviation.
Eine Pose des Roboters hängt in einer Ausführung von der Stellung seiner Gelenke, insbesondere Antriebe, und/oder der Lage und/oder Orientierung einer roboterfesten Referenz, insbesondere des TCPs, ab, sie kann diese insbesondere angeben bzw. sein. Verallgemeinernd wird vorliegend somit zur kompakteren Darstellung insbesondere auch eine Lage und/oder Orientierung einer roboterfesten Referenz, insbesondere des TCPs, als Pose des Roboters verstanden.A pose of the robot depends in one embodiment on the position of its joints, in particular drives, and / or the position and / or orientation of a robot-fixed reference, in particular of the TCP, from, in particular specify or be. In general, a position and / or orientation of a robot-fixed reference, in particular of the TCP, is thus understood to be a pose of the robot for a more compact representation.
Entsprechend hängt in einer Ausführung eine Geschwindigkeit des Roboters von der Geschwindigkeit seiner Gelenke, insbesondere Antriebe, und/oder der translatorischen und/oder rotatorischen Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz, insbesondere des TCPs, ab, sie kann diese insbesondere angeben bzw. sein. Verallgemeinernd wird vorliegend somit zur kompakteren Darstellung insbesondere auch eine Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz als Geschwindigkeit des Roboters verstanden.Accordingly, in one embodiment, a speed of the robot depends on the speed of its joints, in particular drives, and / or the translational and / or rotational speed of a robot-fixed reference, in particular of the TCP, it can indicate or be particular. In general, for the purpose of a more compact representation, a speed of a robot-fixed reference is also understood here to be the speed of the robot.
In einer Ausführung umfasst das Verfahren, insbesondere sein Schritt eines Ermittelns einer Kollisions-Kraft, die Schritte:
- – Ermitteln (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten der modellgestützt ermittelten externen Kraft, (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten des Positionsfehlers des Roboters und (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten der Pose und/oder Geschwindigkeit des Roboters auf Basis von einer Fuzzy-Menge bzw. Zugehörigkeitsfunktionen eines Fuzzy-Systems; und
- – Ermitteln einer oder mehrerer Komponenten der Kollisions-Kraft auf Basis des Fuzzy-Systems in Abhängigkeit von diesen Zugehörigkeitsgraden.
- Determining (in each case) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components of the model-based determined external force, (respectively) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components of the position error the robot and (each) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components of the pose and / or speed of the robot on the basis of a fuzzy set or membership functions of a fuzzy system; and
- Determining one or more components of the collision force on the basis of the fuzzy system as a function of these degrees of membership.
Entsprechend weist das System, insbesondere sein Mittel zum Ermitteln einer Kollisions-Kraft, in einer Ausführung auf:
- – Mittel zum Ermitteln (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten der modellgestützt ermittelten externen Kraft, (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten des Positionsfehlers des Roboters und (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten der Pose und/oder Geschwindigkeit des Roboters auf Basis von Zugehörigkeitsfunktionen eines Fuzzy-Systems; und
- – Mittel zum Ermitteln einer oder mehrerer Komponenten der Kollisions-Kraft auf Basis des Fuzzy-Systems in Abhängigkeit von diesen Zugehörigkeitsgraden.
- - means for determining (in each case) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components of the model-based determined external force, (respectively) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components the positional error of the robot and (respectively) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components of the pose and / or speed of the robot on the basis of membership functions of a fuzzy system; and
- - Means for determining one or more components of the collision force based on the fuzzy system as a function of these degrees of membership.
Ein Zugehörigkeitsgrad kann in an sich bekannter Weise auf Basis einer Zugehörigkeitsfunktion des Fuzzy-Systems ermittelt werden. Mit anderen Worten werden die Komponente(n) der modellgestützt ermittelten externen Kraft, des Positionsfehlers, der Pose und/oder Geschwindigkeit fuzzifiziert und aus diesen fuzzifizierten Größen bzw. Zugehörigkeitsgraden insbesondere regelbasiert durch das Fuzzy-System die, insbesondere wieder defuzzifizierten, Komponente(n) der Kollisions-Kraft ermittelt. Hierzu wird ergänzend insbesondere auf die eingangs genannte Veröffentlichung
Das Fuzzy-System ist in einer Ausführung ein FIS („fuzzy inference system”), insbesondere nach Sugeno oder Mamdani. Es umfasst in einer Ausführung die Zugehörigkeitsfunktionen, die die Eingangsgrößen auf Zugehörigkeitsgrade abbilden bzw. fuzzifizieren, Regeln bzw. eine Regelbasis, die die fuzzifizierten Eingangsgrößen auf Ausgangsgrößen abbilden, und/oder (inverse) Zugehörigkeitsfunktionen, die die fuzzifizierten Ausgangsgrößen defuzzifizieren. In einer Ausführung wertet das FIS seinen Ausgang durch Gewichtung der Regelbasis mit den Zugehörigkeitsgraden aus. Diese Gewichtung kommt anschließend in eine andere Fuzzy-Menge zur Defuzzifizierung und daraus ergibt sich der Ausgang des FIS (Mamdani). In einer anderen Ausführung (Sugeno) wird die Defuzzifizierung mittels der Gewichtung der Regelbasis und mittels der Auswertung einer linearen Funktion der Eingangsgrößen ausgeführt.The fuzzy system is in one embodiment a FIS ("fuzzy inference system"), in particular Sugeno or Mamdani. In one embodiment, it includes the membership functions that map the inputs to degrees of membership, rules or a rule base that maps the fuzzified inputs to outputs, and / or (inverse) membership functions that defuzzify the fuzzified outputs. In one embodiment, the FIS evaluates its output by weighting the rule base with the degrees of membership. This weighting then comes in another fuzzy set for defuzzification and this results in the output of the FIS (Mamdani). In another embodiment (Sugeno) the defuzzification is carried out by means of the weighting of the rule base and by means of the evaluation of a linear function of the input variables.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass ein Fuzzy-System mit den genannten Eingangsgrößen externe Kraft, Positionsfehler und Pose bzw. Geschwindigkeit besonders vorteilhaft zur Erfassung von Kollisionen ist, da hierdurch insbesondere nicht kollisionsbedingte Variationen in der externen Kraft vorteilhaft gefiltert werden können.It has surprisingly been found that a fuzzy system with the input variables mentioned external force, position error and pose or speed is particularly advantageous for detecting collisions, since in particular non-collision-related variations in the external force can be advantageously filtered.
In einer Ausführung wird eine Komponente der Kollisions-Kraft in wenigstens einer ersten Richtung (jeweils) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente der modellgestützt ermittelten externen Kraft in dieser ersten Richtung, einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente des Positionsfehlers des Roboters in dieser ersten Richtung und/oder einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Position einer roboterfesten Referenz in dieser ersten Richtung ermittelt.In one embodiment, a component of the collision force in at least a first Direction (respectively) depending on one or more membership degrees of a component of the model-based determined external force in this first direction, one or more degrees of membership of a component of the position error of the robot in that first direction, and / or one or more degrees of membership of a position of a robot-fixed reference in FIG determined this first direction.
Entsprechend umfasst in einer Ausführung das System bzw. dessen Mittel zum Ermitteln wenigstens einer Komponente der Kollisions-Kraft Mittel zum Ermitteln einer Komponente der Kollisions-Kraft in wenigstens einer ersten Richtung (jeweils) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente der modellgestützt ermittelten externen Kraft in dieser ersten Richtung, einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente des Positionsfehlers des Roboters in dieser ersten Richtung und/oder einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Position einer roboterfesten Referenz in dieser ersten Richtung.Accordingly, in one embodiment, the system or its means for determining at least one component of the collision force comprises means for determining a component of the collision force in at least a first direction (respectively) depending on one or more degrees of membership of a component of the model-based determined external Force in said first direction, one or more degrees of membership of a component of the positional error of the robot in this first direction, and / or one or more degrees of membership of a position of a robot-fixed reference in that first direction.
Eine erste Richtung kann insbesondere eine roboter(glied)- oder raumfeste und/oder kartesische Richtung, insbesondere des Arbeitsraums der Roboters, sein. In einer Ausführung ist eine erste Richtung die vertikale Richtung, eine horizontale Richtung oder eine gegen die Vertikale und die Horizontale geneigte Richtung. In einer Ausführung ist eine erste Richtung eine Kollisionsrichtung, insbesondere eine voraussichtliche und/oder Hauptkollisionsrichtung, und/oder senkrecht zu einer potentiellen, insbesondere vorgegebenen, Kollisionsebene. Beispielsweise ist bei einer sonographischen Untersuchung eines horizontal liegenden Patienten die Vertikale die voraussichtliche Hauptkollisionsrichtung.A first direction may in particular be a robot (member) or space-fixed and / or Cartesian direction, in particular of the working space of the robot. In one embodiment, a first direction is the vertical direction, a horizontal direction, or a direction inclined to the vertical and horizontal. In one embodiment, a first direction is a collision direction, in particular an anticipated and / or main collision direction, and / or perpendicular to a potential, in particular predetermined, collision plane. For example, in an ultrasound examination of a patient lying horizontally, the vertical is the expected main collision direction.
Es hat sich herausgestellt, dass für eine vorteilhafte Ermittlung einer Komponente der Kollisions-Kraft in bestimmten Richtungen, insbesondere in einer (Haupt)Kollisionsrichtung, vorteilhaft neben dem Positionsfehler und der Komponente der externen Kraft die Position einer roboterfesten Referenz in dieser Richtung besonderes geeignet ist.It has been found that, for an advantageous determination of a component of the collision force in certain directions, in particular in a (main) collision direction, advantageously in addition to the position error and the component of the external force, the position of a robot-fixed reference in this direction is particularly suitable.
Zusätzlich oder alternativ wird in einer Ausführung eine Komponente der Kollisions-Kraft in wenigstens einer zweiten Richtung (jeweils) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente der modellgestützt ermittelten externen Kraft in dieser zweiten Richtung, einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente des Positionsfehlers des Roboters in dieser zweiten Richtung und/oder einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz in dieser zweiten Richtung, ermittelt.Additionally or alternatively, in one embodiment, a component of the collision force in at least one second direction (respectively) is dependent on one or more degrees of membership of a component of the model-based determined external force in that second direction, one or more degrees of membership of a component of the position error of the robot in this second direction and / or one or more degrees of membership of a speed of a robot-fixed reference in this second direction.
Entsprechend umfasst in einer Ausführung das System bzw. dessen Mittel zum Ermitteln wenigstens einer Komponente der Kollisions-Kraft zusätzlich oder alternativ Mittel zum Ermitteln einer Komponente der Kollisions-Kraft in wenigstens einer zweiten Richtung (jeweils) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente der modellgestützt ermittelten externen Kraft in dieser zweiten Richtung, einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente des Positionsfehlers des Roboters in dieser zweiten Richtung und/oder einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz in dieser zweiten Richtung.Accordingly, in one embodiment, the system or its means for determining at least one component of the collision force additionally or alternatively comprises means for determining a component of the collision force in at least one second direction (respectively) in dependence on one or more degrees of membership of a component model-assisted external force in this second direction, one or more degrees of membership of a component of the position error of the robot in this second direction, and / or one or more degrees of membership of a velocity of a robot-fixed reference in that second direction.
Es hat sich herausgestellt, dass für eine vorteilhafte Ermittlung einer Komponente der Kollisions-Kraft in bestimmten Richtungen, insbesondere schräg zu einer (Haupt)Kollisionsrichtung, vorteilhaft neben dem Positionsfehler und der Komponente der externen Kraft die Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz in dieser, insbesondere zur (Haupt)Kollisionsrichtung geneigten, Richtung besonderes geeignet ist.It has been found that, for an advantageous determination of a component of the collision force in certain directions, in particular obliquely to a (main) collision direction, advantageously in addition to the position error and the component of the external force, the velocity of a robot-fixed reference in this, in particular for ( Main) inclined direction of collision, direction is particularly suitable.
Die zweite Richtung kann insbesondere eine roboter(glied)- oder raumfeste und/oder kartesische Richtung, insbesondere des Arbeitsraums der Roboters, sein. In einer Ausführung ist die zweite Richtung eine horizontale Richtung, die vertikale Richtung oder eine gegen die Vertikale und die Horizontale geneigte Richtung. In einer Ausführung ist die zweite Richtung zu der ersten Richtung geneigt, insbesondere senkrecht zu dieser. In einer Ausführung sind zwei zweite Richtungen zueinander senkrecht und/oder zwei erste Richtungen zueinander senkrecht.The second direction may in particular be a robot (member) or space-fixed and / or Cartesian direction, in particular of the working space of the robot. In one embodiment, the second direction is a horizontal direction, the vertical direction, or a direction inclined to the vertical and horizontal. In one embodiment, the second direction is inclined to the first direction, in particular perpendicular to this. In one embodiment, two second directions are perpendicular to each other and / or two first directions perpendicular to each other.
In einer Ausführung wird bzw. ist das Fuzzy-System, insbesondere eine oder mehrere seiner Zugehörigkeitsfunktionen und/oder Regeln und/oder seiner linearen Funktion, mittels eines neuronalen Netzes parametriert, insbesondere auf Basis der Methode der kleinsten Fehlerquadrate und/oder der Methode der Rückwärtspropagierung absteigenden Gradients.In one embodiment, the fuzzy system, in particular one or more of its membership functions and / or rules and / or its linear function, is parameterized by means of a neural network, in particular based on the method of least squares and / or the method of backward propagation descending gradient.
Entsprechend umfasst in einer Ausführung das System Mittel zum Parametrieren des Fuzzy-Systems, insbesondere eines oder mehrerer seiner Zugehörigkeitsfunktionen und/oder Regeln, mittels eines neuronalen Netzes, insbesondere auf Basis der Methode der kleinsten Fehlerquadrate und/oder der Methode der Rückwärtspropagierung absteigenden Gradients.Accordingly, in one embodiment, the system comprises means for parameterizing the fuzzy system, in particular one or more of its membership functions and / or rules, by means of a neural network, in particular based on the method of least squares and / or the method of backward propagation descending gradient.
Hierdurch kann in einer Ausführung das Verfahren bzw. System vorteilhaft, insbesondere rasch, autonom und/oder robust, an unterschiedliche Roboter und/oder Applikationen angepasst werden.As a result, in one embodiment, the method or system can advantageously be adapted to different robots and / or applications, in particular rapidly, autonomously and / or robustly.
In einer Ausführung wird die externe Kraft modellgestützt auf Basis eines dynamischen Modells des Roboters ermittelt. Entsprechend umfasst in einer Ausführung das System Mittel zum modellgestützten Ermitteln der externen Kraft auf Basis eines dynamischen Modells des Roboters. In one embodiment, the external force is modeled based on a dynamic model of the robot. Accordingly, in one embodiment, the system includes means for model-based determination of the external force based on a dynamic model of the robot.
Das dynamische Modell bildet in einer Ausführung eine Pose, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Roboters und auf diesen wirkende Kräfte aufeinander ab, insbesondere entsprechend einer Relation M(q)·d2q/dt2 + h(q, dq/dt) = Tmot – Te mit der Massenmatrix M, den Gelenkkoordinaten oder der Lage und Orientierung einer roboterfesten Referenz q bzw. deren Zeitableitungen, dem Kraftvektor h, den Antriebskräften Tmot und den externen Kräften Te. Es kann gleichermaßen im kartesischen oder Gelenkkoordinatenraum implementiert sein. Die Antriebskräfte Tmot und/oder der Vektor q und dessen Zeitableitungen können insbesondere mittels Sensoren erfasst bzw. -mittel werden.In one embodiment, the dynamic model maps a pose, speed and / or acceleration of the robot and forces acting thereon, in particular according to a relation M (q) .d 2 q / dt 2 + h (q, dq / dt) = T mot - T e with the mass matrix M, the joint coordinates or the position and orientation of a robot-fixed reference q or their time derivatives, the force vector h, the driving forces T mot and the external forces T e . It can equally be implemented in Cartesian or joint coordinate space. The driving forces T mot and / or the vector q and its time derivatives can be detected or -mittel in particular by means of sensors.
Wie vorstehend erwähnt, kann insbesondere die Kombination einer modellgestützten Ermittlung von externen Kräften auf Basis eines dynamischen Modells mit der Ermittlung einer Kontakt-Kraft auf Basis dieser externen Kräfte auf Basis eines bzw. durch ein Fuzzy-System(s) eine Erfassung einer Kollision verbessern.As mentioned above, in particular, the combination of a model-based determination of external forces based on a dynamic model with the determination of a contact force based on these external forces on the basis of a fuzzy system (s) can improve detection of a collision.
Alternativ oder zusätzlich, insbesondere dem dynamischen Modell nachgeschaltet, kann ein (zeit)prädiktives Modell, insbesondere ein autoregressives Modell insbesondere ein AR-Modell, vorgesehen sein, um die externen Kräfte modellgestützt zu ermitteln. Hierdurch kann insbesondere vorteilhaft eine Zeitverzögerung durch das Fuzzy-System, wenigstens teilweise, kompensiert werden.Alternatively or additionally, in particular downstream of the dynamic model, a (time) predictive model, in particular an autoregressive model, in particular an AR model, can be provided in order to determine the external forces in a model-supported manner. As a result, a time delay through the fuzzy system can be compensated for, at least partially.
Entsprechend wird in einer Ausführung die externe Kraft auf Basis eines prädiktiven Modells, insbesondere eines autoregressiven Modells ermittelt. Entsprechend umfasst in einer Ausführung das System Mittel zum modellgestützten Ermitteln der externen Kraft auf Basis eines prädiktiven Modells, insbesondere eines autoregressiven Modells.Accordingly, in one embodiment, the external force is determined on the basis of a predictive model, in particular an autoregressive model. Accordingly, in one embodiment, the system comprises means for model-based determination of the external force based on a predictive model, in particular an autoregressive model.
Das prädiktive Modell bildet in einer Ausführung eine externe Kraft, die in einer Ausführung auf Basis des dynamischen Modells ermittelt worden ist, auf eine (vorausgesagte) externe Kraft ab. Auch zu einem prädiktiven Modell wird ergänzend insbesondere auf die eingangs genannte Veröffentlichung
In einer Ausführung wird nach Erfassen einer Kollision auf Basis der Kollisions-Kraft in eine andere Ermittlung umgeschaltet, um eine Feedback-Kraft zu ermitteln, wobei diese andere Ermittlung in einer Ausführung auch schon parallel zur Ermittlung der Kollisions-Kraft durchgeführt werden kann, um das Umschalten zu verbessern, insbesondere eine hierdurch bedingte Verzögerung zu reduzieren.In one embodiment, after detection of a collision based on the collision force is switched to another determination to determine a feedback force, this other determination can be carried out in an embodiment even parallel to the determination of the collision force to the To improve switching, in particular to reduce a delay caused thereby.
Entsprechend wird in einer Ausführung eine Feedback-Kraft nach Erfassen einer Kollision des Roboters ohne das Fuzzy-System und/oder das prädiktive Modell auf Basis eines, insbesondere desselben, dynamischen Modells des Roboters ermittelt.Accordingly, in one embodiment, a feedback force is determined after detecting a collision of the robot without the fuzzy system and / or the predictive model based on, in particular the same, dynamic model of the robot.
Entsprechend weist das System in einer Ausführung Mittel zum Umschalten nach Erfassen einer Kollision auf Basis der Kollisions-Kraft in eine andere Ermittlung, um eine Feedback-Kraft zu ermitteln, bzw. Mittel zum Ermitteln einer Feedback-Kraft nach Erfassen einer Kollision des Roboters ohne das Fuzzy-System und/oder das prädiktive Modell auf Basis eines, insbesondere desselben, dynamischen Modells des Roboters auf.Accordingly, in one embodiment, the system includes means for switching upon detection of a collision based on the collision force to another determination to determine a feedback force, or means for determining a feedback force after detecting a collision of the robot without Fuzzy system and / or the predictive model based on, in particular the same, dynamic model of the robot.
Die Feedback-Kraft ist in einer Ausführung eine Feedback-Kraft eines haptischen Eingabegeräts des Roboters bzw. eine Kraft, die, insbesondere durch wenigstens einen Aktuator, auf ein Bedienelement eines Eingabegeräts des Roboters aufgeprägt wird, um einem Bediener ein Kraftfeedback eines Kontakts des Roboters, insbesondere eines von diesem geführten Werkzeugs, insbesondere medizinischen Instruments, zu vermitteln. Entsprechend weist in einer Ausführung das System bzw. die Roboteranordnung ein haptisches Eingabegerät und Mittel zum Aufprägen der Feedback-Kraft auf ein Bedienelement des Eingabegeräts, um einem Bediener ein Kraftfeedback eines Kontakts des Roboters, insbesondere eines von diesem geführten Werkzeugs, insbesondere medizinischen Instruments, zu vermitteln, auf.In one embodiment, the feedback force is a feedback force of a haptic input device of the robot or a force, which is impressed on an operating element of an input device of the robot, in particular by at least one actuator, in order to force the operator a contact of the robot, in particular to convey a guided by this tool, in particular medical instrument. Accordingly, in one embodiment, the system or the robot assembly includes a haptic input device and means for applying the feedback force to an operating element of the input device to force feedback to a user a contact of the robot, in particular a guided by this tool, in particular medical instrument mediate, on.
Durch die Umschaltung nach Erfassen des Kontakts bzw. die Ermittlung der Feedback-Kraft ohne Fuzzy-System und/oder prädiktives Modell, können in einer Ausführung vorteilhaft Verfälschungen, insbesondere Filterungen, der Kraft, die zum Erfassen einer Kollision zweckmäßig sein können, reduziert und so ein Kraftfeedback verbessert werden.By switching after detecting the contact or the determination of the feedback force without fuzzy system and / or predictive model, distortions, in particular filtering, of the force, which may be useful for detecting a collision, advantageously reduced in one embodiment, and so a force feedback can be improved.
Zusätzlich oder alternativ kann die Feedback-Kraft vor Erfassen einer Kollision des Roboters auf Basis der ermittelten Kollisions-Kraft, wenigstens im Wesentlichen, gleich Null sein. Auch hierdurch kann ein Kraftfeedback verbessert werden.Additionally or alternatively, prior to detecting a collision of the robot, the feedback force may be at least substantially equal to zero based on the determined collision force. Also, this can be a force feedback can be improved.
Alternativ kann die Feedback-Kraft in einer Ausführung vor Erfassen einer Kollision des Roboters auch auf Basis der ermittelten Kollisions-Kraft ermittelt werden, insbesondere dieser entsprechen.Alternatively, in one embodiment, the feedback force may be prior to detecting a collision of the robot are also determined on the basis of the determined collision force, in particular this correspond.
Eine Roboteranordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst einen bzw. den Roboter und ein hier beschriebenes System zum Steuern des Roboters.A robot assembly according to an embodiment of the present invention includes a robot and a system for controlling the robot described herein.
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, insbesondere mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Roboter betreiben bzw. steuern kann.A means in the sense of the present invention may be designed in terms of hardware and / or software, in particular a data or signal-connected, in particular digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU) and / or a memory and / or bus system or multiple programs or program modules. The CPU may be configured to execute instructions implemented as a program stored in a memory system, to capture input signals from a data bus, and / or to output signals to a data bus. A storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media. The program may be such that it is capable of embodying or executing the methods described herein, so that the CPU may perform the steps of such methods and, in particular, operate or control the robot.
In einer Ausführung werden einer oder mehrere der hier beschriebenen Schritte wenigstens teilweise automatisiert, insbesondere durch das hier beschriebene System bzw. dessen Mittel, ausgeführt.In one embodiment, one or more of the steps described herein are at least partially automated, in particular by the system or means described herein.
Die Erfindung ist insbesondere bei medizinischen Applikationen, in denen ein robotergeführtes medizinisches Instrument einen Patienten temporär kontaktiert, insbesondere bei robotergestützter Sonographie oder anderen bildgebenden Verfahren, vorteilhaft, so dass diese eine bevorzugte Verwendung darstellen und für die daher insbesondere Schutz beansprucht wird. Denn hier ist insbesondere eine zuverlässige, frühzeitige und/oder sanfte Erfassung eines Kontakts und/oder ein anschließendes präzises Kraftfeedback wichtig. Sie kann jedoch gleichermaßen auch bei anderen Applikationen verwendet werden und ist daher nicht auf medizinische Applikationen beschränkt.The invention is particularly advantageous in medical applications in which a robot-guided medical instrument temporarily contacts a patient, in particular in robot-assisted sonography or other imaging methods, so that they represent a preferred use and for which therefore particular protection is claimed. For here in particular a reliable, early and / or gentle detection of a contact and / or a subsequent precise power feedback is important. However, it can equally be used in other applications and is therefore not limited to medical applications.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:Further advantages and features emerge from the subclaims and the exemplary embodiments. This shows, partially schematized:
Die Robotersteuerung
In einem ersten Schritt S10 ermittelt die Steuerung
Anschließend wird in einem Schritt S20 aus dieser auf Basis des dynamischen Modells
Somit wird auf Basis des dynamischen Modells
In einem nächsten Schritt S30 werden für die Komponenten F'e,x, F'e,y und F'e,z dieser externen Kraft jeweils durch FIS
In analoger Weise werden in Schritt S30 in den Subsystemen
In analoger Weise werden in Schritt S30 in dem Subsystem
Aus diesen ermittelten Zugehörigkeitsgraden B ermitteln die Subsysteme
Die Regeln und/oder Zugehörigkeitsfunktionen Bi des Fuzzy-Systems
Solange die so ermittelte Kollisions-Kraft [Fc,x, Fc,y, Fc,z] unter einem vorgegebenen Schwellwert bleibt, gibt ein Umschaltmittel
Überschreitet die Kollisions-Kraft [Fc,x, Fc,y, Fc,z] hingegen den vorgegebenen Schwellwert, gibt das Umschaltmittel
Fällt deren Betrag unter einen, insbesondere denselben, Schwellwert, schaltet das Umschaltmittel
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.Although exemplary embodiments have been explained in the foregoing description, it should be understood that a variety of modifications are possible. It should also be noted that the exemplary embodiments are merely examples that are not intended to limit the scope, applications and construction in any way. Rather, the expert is given by the preceding description, a guide for the implementation of at least one exemplary embodiment, with various changes, in particular with regard to the function and arrangement of the components described, can be made without departing from the scope, as it turns out according to the claims and these equivalent combinations of features.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Robotersteuerungrobot control
- 1111
- dynamisches Modelldynamic model
- 1212
- ARAR
- 13, 13X–13Z13, 13X-13Z
- FIS („Fuzzy Inference System”)FIS ("Fuzzy Inference System")
- 1414
- Umschaltmittelswitching
- 2020
- haptisches Eingabegerät zum Fernsteuern des RobotersHaptic input device for remote control of the robot
- 3030
- Roboterrobot
- 3131
- Ultraschallkopfultrasound probe
- BB
- Zugehörigkeitsgradmembership degree
- Bi B i
- Zugehörigkeitsfunktionmembership function
- Fe, [F'e,x, F'e,y, F'e,z]F e , [F ' e, x , F' e, y , F ' e, z ]
- externe Kraftexternal force
- [Fc,x, Fc,y, Fc,z][F c, x , F c, y , F c, z ]
- Kollisions-KraftCollision force
- Ffb F fb
- Feedback-KraftFeedback force
- [Δx, Δy, Δz][Δx, Δy, Δz]
- Positionsfehlerposition error
- [dx/dt, dy/dt][dx / dt, dy / dt]
- horizontale Geschwindigkeithorizontal speed
- zz
- vertikale Positionvertical position
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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---|---|---|---|
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