DE102015200355B3

DE102015200355B3 - Medizinische roboterartige Vorrichtung mit Kollisionsdetektion und Verfahren zur Kollisionsdetektion einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102015200355B3
Application number: DE102015200355.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Sattler; Stefan Schuster
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2015-01-02
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: CN105751222B; US20160193731A1; US9943962B2; CN105751222A

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine medizinische roboterartige Vorrichtung (10) mit Kollisionskontrolle umfassend eine kinematische Kette, die wenigstens ein Stativmittel (26), wenigstens ein Gelenkmittel (36, 36'), wenigstens ein Positionierungsmittel und einen positionierbaren Endeffektor (12) aufweist. Weiter umfassend ein Rechen- und Steuermittel (20) zur Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels, wobei die medizinische roboterartige Vorrichtung (10) ein Messmittelsystem (42) zur Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments aufweist, wobei die Kraft und/oder das Drehmoment im Wesentlichen in einem Punkt der kinematischen Kette wirkt, und wobei wenigstens ein Messsignal des Messmittelsystems (42) an das Rechen- und Steuermittel (20) übertragbar ist, das Rechen- und Steuermittel zur Bestimmung der Kraft und/oder des wirkenden Drehmoments ausgelegt ist und das Rechen- und Steuermittel (20) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit einer aktuellen Position und/oder eines aktuellen kinematischen Zustands eine Sollkraft und/oder ein Solldrehmoment zu bestimmen und abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment eine Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung (10) zu detektieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine medizinische roboterartige Vorrichtung mit Kollisionsdetektion. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Kollisionsdetektion einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung.
Medizinische Diagnose- und Interventionssysteme in der Angiographie, Kardiologie, Neurologie und Hybrid-OPs nutzen heute meist einen sogenannten C-Bogen als mechanische Basis für die bildgebenden Komponenten, wie Röntgenquelle und Röntgendetektor. Dieser C-Bogen kann für eine 2D-Bildgebung, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines motorischen Antriebs, sehr flexibel um den auf einer Patientenliege liegenden Patienten positioniert werden. Für eine 3D-Bildgebung kann der C-Bogen mit halb- oder vollautomatischen Fahrten um den Patienten verfahren werden, um eine größere Anzahl, der für die Rekonstruktion notwendigen, Einzelbilder aufzunehmen. Neben konventionellen Röntgenstativen, bei denen bodenbasierte oder deckenbasierte, proprietäre Mechaniken zur Positionierung der bildgebenden Komponenten zum Einsatz kommen, wird seit einigen Jahren auch Robotertechnologie, die auch auf Industrierobotern basiert, für die hochgenaue Positionierung und Kinematik verwendet. Auf Grund der Multi-Achs-Kinematik und dem damit verbundenen Anstieg der Bewegungsfreiheitsgrade des Systems, steigen auch die Anforderungen an die Sicherheit der Systeme. Speziell in einer Mensch-Roboter-Kollaboration, d. h. bei Szenarien, in denen Mensch und Roboter sich nicht nur den Arbeitsraum teilen, sondern sie gemeinsam an etwas, hier dem Patienten, arbeiten, besteht das Risiko der gegenseitigen Behinderung, mit möglicherweise fatalen Folgen. Um Schäden zu vermeiden, müssen entsprechende Sicherheitsvorkehrungen vorgesehen werden. Dies gilt neben den beschriebenen C-Arm Stativen ebenso für eingesetzte Patientenliegen wie auch für weitere, statisch montierte Komponenten von medizinischen Systemen, wie Deckenstative, Displayträger, sogenannte, engl. Booms, andere medizinischen Modalitäten, Assistenzroboter oder roboterartige, medizinische Instrumente. Für die beschriebenen Arbeitsräume gibt es keine trennenden Schutzeinrichtungen in der Weise mehr, dass eine Kollisionsgefahr zwischen Roboter und agierenden Personen in jedem Fall sicher ausgeschlossen wird. Somit sind andere geeignete Schutzmaßnahmen einzusetzen, um eine Kollision oder ein Zusammenstoß zu vermeiden bzw. schädliche Folgen einer Kollision zu minimieren, beispielsweise durch eine Geschwindigkeitsreduzierung in der Nähe eines Behandlungstisches. Da es aber in einem komplexen Umfeld, wie zum Beispiel in einem Operationssaal, überall und zu jeder Zeit zu Berührungen kommen kann, bleibt ein Restrisiko einer Kollision bestehen. Hierfür ist eine flächendeckende Sensorik vorzusehen.
Aktuelle Angiografiesysteme haben üblicherweise verschiedene Schutzmechanismen integriert, die beispielsweise elektronische Zustimmtaster, engl. Dead Man Grip, DMG, oder softwarebasierte, kollisionsdetektierende Maßnahmen beinhalten. Im Folgenden werden übersichtsmäßig sicherheitsunterstützende Sensoren aufgezählt, die bisher zusätzlich als Schutzmechanismen eingesetzt werden.
Durch die Auslösung von elektronischen Tastern können Kollisionen an federnd gelagerten Gehäuseteilen einer C-Bogen-Strahlenquelle, bzw. einem C-Bogen-Detektor mit zum Beispiel patientennahen Abdeckungen erkannt werden. Eine solche Lösung ist z. B. aus der US 6550964 B2 „Covering device for cover elements which are mobile with relation to the other and radiology machine having such a covering device” bekannt. Elektrische Schaltleisten, die am Profil des C-Bogens angebracht werden können, können als resistive Schaltelemente ein Signal nach einer entsprechend starken Verformung der Schaltleiste bereitstellen, das zur Kollisionserkennung eingesetzt werden kann. Entsprechend geeignete Schaltleisten sind z. B. aus der DE 9403972 U1 „Kantenschutzprofil” bekannt. Einen anderen Ansatz zur Kollisionserkennung ist aus der US 5570770 A1 „Apparatus, in particular an x-ray examination apparatus, with arrangement for collision protection” bekannt, wobei hier der Motorstrom von Antrieben überwacht wird, um eine erfolgte Kollision zu detektieren. Weiter werden Beschleunigungssensoren oder Kraftsensoren, die zum Beispiel auf Dehnungsmessstreifen oder Magnetfeldern basieren, zur Kollisionsdetektion eingesetzt.
Vorteilhaft bieten diese Sensoren einen hohen Sicherheitsgewinn, allerdings können sie nur schwer flächendeckend, insbesondere über komplex geformte Gehäuseteile, kostengünstig und gleichzeitig noch zuverlässig integriert werden. Als Beispiel hierfür sind die elektrischen Schaltleisten zu nennen. Sie sind aufgrund ihrer Geometrie einzeln und nur örtlich sehr begrenzt einsetzbar. Bereits Auftreffwinkel größer 45 Grad können zu einem Fehlverhalten führen. Außerdem sind Kollisionen, die nur wenige Millimeter neben den Leisten erfolgen, nicht mehr zu detektieren. Um eine Flächenabdeckung zu gewährleisten, kann zum Beispiel eine größere Anzahl an Schaltleisten aneinander gereiht, mit Schaum überzogen und anschließend die Fläche mit äußerst flexiblem Lack veredelt werden. Dieser lackierte Schaumüberzug ist sehr teuer und natürlich nicht gegen Zerstörung durch spitze Gegenstände geschützt.
Ein weiteres Beispiel sind die oben genannten, federnd gelagerten Gehäuseteile. Diese Gehäuseteile müssen in jeder Raumlage, Raumorientierung und bei jeder üblichen Bewegungsbeschleunigung funktionieren. Dies bedeutet, dass diese Teile nur ein bestimmtes Maximalgewicht haben dürfen, da sonst die Rückstellkraft auf die Gehäuse zu groß ist, um diese in einem Kollisionsfall auszulösen. Außerdem benötigen die Taster immer einen Verstellweg. Da auch hier die Kollision aus verschiedenen Richtungen auf das Gehäuseteil erfolgen kann, muss der Verstellweg in alle Richtungen gewährleistet sein. Dies kann nur durch eine sehr komplexe, mechanisch anfällige und teure Unterkonstruktion realisiert werden. Hinzu kommt, dass Trennlinien und somit Kanten bzw. Rillen vorgesehen werden müssen um diesen Verstellweg zur Verfügung zu stellen, woraus sich im medizinischen Umfeld hygienische Probleme, zum Beispiel in Bezug auf eine Reinigung oder eine notwendigerweise aufwändige Abdichtung, ergeben.
Es gibt noch erste Ansätze für flächige Kollisionssensoren auf Basis von Piezofolien. Mit dieser Technologie können komplexe Geometrien und größere Gebiete bzw. Flächen abgedeckt werden. Dennoch müssen überall an der Außengeometrie, wo Kollisionen stattfinden können, entsprechende Sensorfolien angebracht und angeschlossen werden. Diese Integration in die Hülle bzw. Außengeometrie ist sehr aufwändig und nur ausgewählte Lieferanten beherrschen die Verarbeitung von Piezofolien.
Aus den Druckschriften DE 603 17 419 T2 und DE 600 31 277 T2 sind medizinische roboterartige Vorrichtungen mit Kollisionskontrolle bekannt, jeweils umfassend eine kinematische Kette, welche kinematische Kette wenigstens ein Stativmittel, wenigstens ein Gelenkmittel und einen mittels wenigstens eines Positionierungsmittels positionierbaren Endeffektor aufweist, und umfassend ein Rechen- und Steuermittel zur Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels, wobei die medizinische roboterartige Vorrichtung ein Messmittelsystem zur Bestimmung einer Kraft aufweist, wobei die Kraft im Wesentlichen in einem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkt, und wobei wenigstens ein Messsignal des Messmittelsystems an das Rechen- und Steuermittel übertragbar ist, das Rechen- und Steuermittel zur Entgegennahme des wenigstens einen Messsignals des Messmittelsystems und zur Bestimmung der im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft ausgelegt ist und das Rechen- und Steuermittel dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit eines aktuellen kinematischen Zustands eine Sollkraft in dem im Wesentlichen einen Punkt der kinematischen Kette zu bestimmen und abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und der bestimmten Sollkraft eine Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung zu detektieren.
Weiterhin zeigen die Druckschriften DE 10 2008 005 926 A1 und EP 2 199 037 B1 noch automatisierte Robotersysteme mit einer Kollisionsdetektion mit Hilfe der Bestimmung und Messung von Kräften oder Momenten, jedoch keine medizinische Vorrichtungen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine medizinische roboterartige Vorrichtung mit Kollisionsdetektion vorzustellen, die im Vergleich zu bekannten Lösungen ein hohes Maß an Sicherheit bietet und dennoch kostengünstig zu implementieren ist. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Kollisionsdetektion einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung zu beschreiben.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung mit Kollisionsdetektion mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Patentanspruchs und einem Verfahren zur Kollisionsdetektion einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen beschrieben.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist eine medizinische roboterartige Vorrichtung mit Kollisionskontrolle, umfassend eine kinematische Kette, welche kinematische Kette wenigstens ein Stativmittel, wenigstens ein Gelenkmittel und einen mittels wenigstens eines Positionierungsmittels positionierbaren Endeffektor aufweist, und umfassend ein Rechen- und Steuermittel zur Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels, wobei

– die medizinische roboterartige Vorrichtung ein Messmittelsystem zur Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments aufweist, wobei die Kraft und/oder das Drehmoment im Wesentlichen in einem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkt, und wobei wenigstens ein Messsignal des Messmittelsystems an das Rechen- und Steuermittel übertragbar ist,
– das Rechen- und Steuermittel zur Entgegennahme des wenigstens einen Messsignals des Messmittelsystems und zur Bestimmung der und/oder des im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder wirkenden Drehmoments ausgelegt ist und
– das Rechen- und Steuermittel dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit einer aktuellen Position und/oder eines aktuellen kinematischen Zustands eine Sollkraft und/oder ein Solldrehmoment in dem im Wesentlichen einen Punkt der kinematischen Kette zu bestimmen und abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment eine Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung zu detektieren, wobei
– in die Bestimmung der im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder des wirkenden Drehmoments und/oder der im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Sollkraft und/oder des Solldrehmoments ein kinematisches Modell eingeht und
– das Messmittelsystem zwischen dem Stativmittel und dem Boden in einer Montageplatte angeordnet ist.

Dieser Grundgedanke der Erfindung geht von einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung aus, die eine kinematische Kette, die wenigstens ein Stativmittel, wenigstens ein Gelenkmittel und einen Endeffektor, der durch wenigstens ein Positionierungsmittel positionierbar ist, aufweist. Solche roboterartigen Vorrichtungen, im Folgenden auch kurz System genannt, die in einem medizinischen Umfeld einsetzbar sind, sind prinzipiell bekannt und können beispielsweise der Struktur eines Industrieroboters mit mehreren Achsen oder Gelenkarmen ähneln. Als Stativmittel wird das erste Glied in der kinematischen Kette, das den Rest der kinematischen Kette mit der Umgebung, z. B. dem Boden, einer Wand oder der Decke eines Behandlungsraumes, verbindet, bezeichnet. Zwischen dem Stativmittel und dem Endeffektor, dem letzten Glied der kinematischen Kette, können ein oder mehrere Gelenkmittel, z. B. bekannte Drehgelenke, Kugelgelenke oder auch Linearführungen, und zwischen Gelenkmitteln weitere Glieder oder Gelenkarme, z. B. starre Verbindungsträger, angeordnet sein. Durch das mindestens eine Positionierungsmittel, z. B. ein an sich bekannter Elektromotor, sind die Komponenten der kinematischen Kette kontrolliert bewegbar, insbesondere in Richtungen, die durch die Gelenkmittel vorgegeben sind. Kontrollierte Bewegungen führen zu einer vorgebbaren Positionierung der kinematischen Kette und des Endeffektors. Ein Rechen- und Steuermittel, z. B. eine elektronische Schaltung oder ein Computer, dient der Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels, z. B. durch Abgabe von Steuersignalen, beispielsweise einer gezielten Änderung einer elektrischen Spannung, die an dem wenigstens einen Positionierungsmittel anliegt, und damit der Bewegung der kinematischen Kette. Die medizinische roboterartige Vorrichtung weist weiter ein Messmittelsystem, das einen oder mehrere Sensoren umfasst, zur Bestimmung bzw. zur Unterstützung der Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments auf, wobei die Kraft und/oder das Drehmoment im Wesentlichen in einem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkt, und wobei wenigstens ein Messsignal des Messmittelsystems an das Rechen- und Steuermittel übertragbar ist, beispielsweise durch ein geeignetes Datenübertragungsmittel. Das heißt, das Messmittelsystem hilft bei der Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments in einem vorgebbaren oder vorbestimmten Punkt oder mit anderen Worten, an einer bestimmten oder zentralen Stelle der kinematischen Kette, wobei das Messmittelsystem die Kraft und/oder das Drehmoment im Allgemeinen nicht in dem vorbestimmten Punkt oder der zentralen Stelle direkt misst. Im Allgemeinen werden in anderen Punkten der kinematischen Kette ebenfalls Kräfte und Drehmomente anliegen oder wirken, doch diese werden in diesem Grundgedanken der Erfindung nicht gemessen. Wenigstens ein Messsignal des Messmittelsystems, das von der Kraft und/oder dem Drehmoment abhängt, kann an das Rechen- und Steuermittel übertragen werden. Das Rechen- und Steuermittel seinerseits ist zur Entgegennahme des wenigstens einen Messsignals des Messmittelsystems und zur tatsächlichen Bestimmung der und/oder des im Wesentlichen in dem einen vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder wirkenden Drehmoments ausgelegt. Das bedeutet, das Messmittelsystem misst wenigstens eine Kraft und/oder wenigstens ein Drehmoment und überträgt die gemessenen Werte an das Rechen- und Steuermittel, durch das die im Wesentlichen in dem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkende Kraft und/oder das wirkende Drehmoment bestimmt werden kann. Das Rechen- und Steuermittel ist weiter dazu ausgelegt, in Abhängigkeit einer aktuellen Position und/oder eines aktuellen kinematischen Zustands eine Sollkraft und/oder ein Solldrehmoment in dem im Wesentlichen einen Punkt der kinematischen Kette zu bestimmen und abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment eine Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung zu detektieren. Neben der Messung bzw. Bestimmung der in dem einen Punkt angreifenden Kraft und/oder des Drehmoments, also des Ist-Zustandes, ist das Rechen- und Steuermittel in der Lage, die Kraft in der aktuellen Position oder in der aktuellen Bewegung und/oder das Drehmoment in der aktuellen Position oder in der aktuellen Bewegung in dem betrachteten Punkt zu bestimmen, also des Soll-Zustandes. Die aktuelle Position der kinematischen Kette ist beispielsweise durch Integration von Stellgrößen des wenigstens einen Positionierungsmittels bekannt, die aktuelle Bewegung, d. h. Geschwindigkeiten, Beschleunigungen usw. können z. B. aus der Historie von Stellgrößen des wenigstens einen Positionierungsmittels bestimmt werden. Unterscheiden sich die Werte des Ist- und des Soll-Zustandes, d. h. die Differenz der jeweiligen Werte ist ungleich Null bzw. größer als ein vorgebbarer Grenzwert, muss eine zusätzliche Kraft oder ein zusätzliches Drehmoment auf die medizinische roboterartige Vorrichtung einwirken, wie im Falle einer Kollision. Die Detektion einer Kollision erfolgt somit abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment. Die zusätzliche Kraft oder das zusätzliche Drehmoment muss nicht zwingend in dem Punkt, in dem Kraft und/oder Drehmoment durch das Messmittelsystem gemessen werden, angreifen, sondern kann durch die mechanische Kopplung der kinematischen Kette auch an anderer Stelle der kinematischen Kette angreifen. Dadurch kann mit relativ geringem Aufwand eine großflächige Kollisionserkennung realisiert werden.
Erfindungsgemäß geht in die Bestimmung der im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder des wirkenden Drehmoments und/oder der im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Sollkraft und/oder des Solldrehmoments ein kinematisches Modell ein.
Das kinematische Modell ist vorteilhaft ein mathematisches Modell der medizinischen roboterartigen Vorrichtung. Mit den bekannten physikalischen Größen der einzelnen Komponenten der medizinischen roboterartigen Vorrichtung, insbesondere den geometrischen Abmessungen, den Masseverteilungen und weiteren mechanischen Eigenschaften oder Materialeigenschaften, wie z. B. Steifigkeit, kann beispielsweise mit Verfahren der regelungstechnischen Modellbildung ein mathematisches Modell der roboterartigen Vorrichtung gewonnen werden. In die Modellbildung gehen vorzugsweise Transformationsmatrizen nach Denavit und Hartenberg ein. Einfache Look-Up-Tabellen bis komplexe Differentialgleichungen können je nach Anwendung geeignete Verfahren darstellen. Eingangsgröße des kinematischen Modells ist insbesondere das wenigstens eine Messsignal des Messmittelsystems, Ausgangsgröße ist die und/oder das im Wesentlichen in dem einem Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder wirkende Drehmoment. Mit Vorteil kann dasselbe kinematische Modell oder ein weiteres kinematische Modell zur Bestimmung der Sollkraft und/oder des Solldrehmoments in dem im Wesentlichen einen Punkt der kinematischen Kette verwendet werden. Eingangsgrößen sind hierbei die aktuelle Position und/oder der aktuelle kinematische Zustand der medizinischen roboterartigen Vorrichtung bzw. Stellgrößen, die zum Beispiel durch das Rechen- und Steuermittel an das wenigstens eine Positionierungsmittel ausgegeben werden. Ausgangsgröße ist die und/oder das im Wesentlichen in dem einem Punkt der kinematischen Kette wirkende Soll-Kraft und/oder wirkende Soll-Drehmoment. Die Soll-Kraft und/oder das Soll-Drehmoment können auch als Kraft-Erwartungswert und/oder Drehmoment-Erwartungswert aufgefasst werden. In die Berechnung dieses Erwartungswertes bzw. dieser Erwartungswerte gehen somit ein Modell der mechanischen Struktur der medizinischen roboterartigen Vorrichtung und/oder die Materialeigenschaften der Komponenten der medizinischen roboterartigen Vorrichtung, und/oder die Position der medizinischen roboterartigen Vorrichtung, und/oder die Bewegung der medizinischen roboterartigen Vorrichtung, und/oder die Beschleunigung der medizinischen roboterartigen Vorrichtung ein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Messmittelsystem wenigstens drei Kraftsensoren und/oder wenigstens drei Drehmomentsensoren.
Durch diese Konstellation können Kräfte bzw. Drehmomente in drei Raumrichtungen bzw. um drei Raumachsen gemessen werden. Aus diesen Messungen können durch das Rechen- und Steuermittel die Kraft und/oder das Drehmoment in dem vorbestimmten Punkt bestimmt werden. Vorteilhaft sind die wenigstens drei Kraftsensoren und/oder die wenigstens drei Drehmomentsensoren linear unabhängig angeordnet. Die Auswahl der Kraft- und/oder Drehmomentsensoren erfolgt vorteilhaft an Hand der notwendigen statischen und dynamischen Kräfte im Betrieb des Systems, also der maximal auftretenden Kräfte plus die Auslegung auf die normativ geforderten Mehrfachlasten, um den Gesamtdynamikumfang inklusive z. B. Notstoppszenarien sicher abzudecken. Das an die Sensoren angeschlossene Messsystem muss ebenso den gesamten Dynamikumfang abbilden, um einerseits keine Messbereichsüberschreitung zu bekommen, andererseits sehr genau aufzulösen, um auch die zu detektierenden, verhältnismäßig kleinen Signale im Falle einer leichten Kollision aufnehmen zu können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die wenigstens drei Kraftsensoren und/oder die wenigstens drei Drehmomentsensoren kreisförmig und im gleichen Winkel voneinander angeordnet.
Durch diese Anordnung können durch die wenigstens drei Kraftsensoren und/oder die wenigstens drei Drehmomentsensoren Kräfte und/oder Drehmomente besonders genau gemessen werden, insbesondere, wenn die wenigstens drei Kraftsensoren und/oder die wenigstens drei Drehmomentsensoren in einer Ebene angeordnet sind und Kräfte und/oder Drehmomente, die auf die medizinische roboterartige Vorrichtung wirken, durch einen Hebelarmeffekt auf die Kraftsensoren und/oder Drehmomentsensoren des Messmittelsystems wirken.
Weiterhin erfindungsgemäß ist das Messmittelsystem zwischen dem Stativmittel und einem statischen Umgebungsobjekt aus der Gruppe von Boden, Wand und Decke angeordnet.
Da das Stativmittel das erste Glied der medizinischen roboterartigen Vorrichtung ist, an das sich weitere Glieder anschließen, können sich Kräfte und Drehmomente, die an beliebiger Stelle auf die medizinische roboterartige Vorrichtung wirken, eine Messwertänderung des Messmittelsystems bewirken. Die Abdeckung bzw. die Überwachung des kompletten Systems ist somit möglich. Ist das Messmittelsystem dagegen an einer beliebigen Stelle, d. h. an einer anderen Stelle, als zwischen dem Stativmittel und einem statischen Umgebungsobjekt, wie zum Beispiel an einem C-Bogen, in der kinematischen Kette des Systems angeordnet, ist im Allgemeinen nur eine Teilabdeckung bzw. Teilüberwachung des Systems möglich. Dies kann auch von Vorteil sein, wenn eine Teilüberwachung des Systems gefordert oder ausreichend ist. Bei der Anordnung des Messmittelsystems ist wichtig, dass dessen Position bekannt und, z. B. über die bekannten Achsdaten, verfolgbar ist, so dass die Position und Lage des Sensorkoordinatensystems dynamisch angepasst werden kann. Beispielsweise kann das Messmittelsystem oder die Kraftsensorik kostengünstig aus drei oder vier Standard-Wägezellen bestehen, auf denen das System montiert ist. Das bedeutet, das System ist nur über die Wägezellen mit der Montagebasis und damit Boden, Decke etc. gekoppelt. Hieraus lassen sich bereits die Gewichtskraft und die Momente um zwei Achsen berechnen.
Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Messmittelsystem in einer Montageplatte angeordnet ist.
In dieser Ausgestaltung ist das Messmittelsystem in eine Montageplatte integriert. Eine Montageplatte dient der Befestigung des Stativmittels der medizinischen roboterartigen Vorrichtung mit seiner Umgebung, z. B. mit dem Boden eines Operationssaales. Man kann auch sagen, die kinematische Kette ist auf den Sensoren des Messmittelsystems montiert. Integriert man das Messmittelsystem, das Kraft- und Drehmomentsensoren umfasst, in die Montageplatte, lassen sich Kräfte und Drehmomente in allen Richtungen bzw. um alle Achsen messen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das zwischen dem Stativmittel und dem Messmittelsystem wenigstens ein Entkopplungsmittel angeordnet ist.
Maßgebliche Störgrößen können durch Vibrationen von außen entstehen. Um diese zu eliminieren, können Füße eingeführt werden, die das System ähnlich wie Lautsprecher von störenden Schwingungen entkoppeln und die gewünschten Systemkräfte an dedizierten Stellen in die Kraftsensorik einleiten. Entkopplungsmittel dienen der Reduktion der Übertragung von Schwingungen des statischen Umgebungsobjekts auf das Messmittelsystem, d. h. sie bewirken eine Dämpfung der Schwingungen.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Messmittelsystem einen Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungen und gemessene Beschleunigungen gehen in das kinematische Modell ein.
Da bei einem hohen Systemgewicht die oben als Beispiel beschrieben Füße zur Entkopplung konstruktiv nicht immer ideal spitz sein können, kann es hilfreich sein, einen zusätzlich angebrachten Vibrations- oder Beschleunigungssensor, insbesondere an einem als statisch angenommenen Umgebungsobjekt, z. B. am Boden oder an einer Montageplatte, die fest mit dem Boden verbunden ist, anzubringen, der die Störgrößen aufnehmen kann. Die durch die Störgrößen zu erwartenden Auswirkungen auf das System können durch das Rechen- und Steuermittel, beispielsweise mit Hilfe des entsprechend erweiterten kinematischen Modells, berechnet werden und somit berücksichtigt oder kompensiert werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Kollisionsdetektion in die Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels eingeht.
Wie zuvor ausgeführt wurde erfolgt eine Erkennung oder eine Detektion einer Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung mit einem Umgebungsobjekt durch Vergleich der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment. Ist der Unterschied beispielsweise größer als ein vorgebbarer Schwellenwert wird auf eine Kollision geschlossen. Eine einfache Berücksichtigung einer Kollisionsdetektion kann zum Beispiel darin bestehen, dass die Positionierungsmittel so angesteuert werden, dass sie keine weitere Bewegung der medizinischen roboterartigen Vorrichtung mehr bewirken, die medizinische roboterartige Vorrichtung quasi in der Bewegung „einfriert”.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels eine Verkleinerung des Betrags der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment bewirkt.
Nach einer Detektion einer Kollision kann das mindestens eine Positionierungsmittel derart angesteuert werden, dass eine Verkleinerung des Betrags der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment erzielt wird. D. h. die Sensorik des Messmittelsystems und die Algorithmen, die mit Hilfe des Rechen- und Steuermittels abgearbeitet werden, lassen sich neben der Kollisionsüberwachung auch rekursiv nutzen. Das bedeutet, dass es vorstellbar ist, die von außen wirkenden Kräfte in der Art zu nutzen, dass das System in die Gegenrichtung „ausweicht”. Als Beispiel, wenn das System in Richtung der positiven x-Achse fährt und plötzlich eine Kraft an dieser Stelle entgegen wirkt, bremst es ab und kann wieder so weit zurückfahren, bis die Kraft wieder „null” bzw. den erwarteten Wert aufweist. Dieses Funktionsprinzip funktioniert auch im Stillstand. Wenn dann eine Kraft einwirkt, z. B. weil ein Bediener das System real anfasst und zu verschieben versucht, kann es die Position kraftgeregelt steuern, indem es immer versucht diese Kraft gegen „null” zu verfahren. Hierbei ist zu beachten, dass die Freiheitsgrade der Bewegung des Systems sehr hoch sein können, weshalb man vorteilhafterweise diese Freiheitsgrade auf die reinen Achsrichtungen beschränken sollte. Beispielsweise könnte man ein Schwenken des Systems, engl. „panning” oder ein lineares Verfahren, zulassen, aber eine Rotation höchstens durch aktives Umschalten der Bewegungsform, z. B. nach Betätigung einer Taste, freigeben.
Es ist denkbar, dass der Endeffektor einen C-Bogen mit einem Röntgenstrahler und einem Röntgenbilddetektor umfasst.
Medizinische roboterartige Vorrichtungen, deren letztes Glied der kinematischen Kette ein C-Bogen ist, an dessen Enden jeweils eine Strahlenquelle, z. B. ein Röntgenstrahler, und ein Röntgendetektor oder Röntgenbilddetektor angeordnet sind, sind beispielsweise aus der US 7,500,784 B2 bekannt. Da eine solche Röntgenvorrichtung viele Freiheitsgrade aufweist und in einem Umfeld, in dem sich auch mobiles Personal befindet, agiert, ist der Einsatz einer der beschriebenen Kollisionskontrollen besonders empfehlenswert.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist ein Verfahren zur Kollisionsdetektion einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung, wobei die medizinische roboterartige Vorrichtung eine kinematische Kette, welche kinematische Kette wenigstens ein Stativmittel, wenigstens ein Gelenkmittel und einen mittels wenigstens eines Positionierungsmittels positionierbaren Endeffektor aufweist, und ein Rechen- und Steuermittel zur Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels, umfasst, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:

– Messen wenigstens einer Kraft und/oder wenigstens eines Drehmoments durch ein Messmittelsystem der medizinischen roboterartigen Vorrichtung und Übertragen wenigstens eines Messsignals des Messmittelsystems an das Rechen- und Steuermittel,
– Entgegennahme des wenigstens einen Messsignals des Messmittelsystems durch das Rechen- und Steuermittel und Bestimmung einer und/oder eines im Wesentlichen in einem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder wirkenden Drehmoments und
– durch das Rechen- und Steuermittel Bestimmen einer Sollkraft und/oder eines Solldrehmoments in dem im Wesentlichen einen Punkt der kinematischen Kette, in Abhängigkeit einer aktuellen Position und/oder eines aktuellen kinematischen Zustands und Detektieren einer Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung, abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment.

Dabei können die Verfahrensschritte auch in einer nichtsequentiellen Form abgearbeitet werden. Beispielsweise ist bei einem geeigneten Zeitverhalten bzw. Timingverhalten vorstellbar, dass in einem Verfahrensschritt oder zwischen zwei Verfahrensschritten eine Parallelisierung stattfindet, z. B. in der Form, dass ein Messwert erfasst wird und während dieser gewandelt und weitergeleitet wird, der nächste Messwert des Sensors erfasst wird. Oder bei ausreichender Rechenleistung bereits eine Berechnung der Sollwerte in die Zukunft stattfindet, beispielsweise durch Einsatz eines Kalmannfilters, so dass zum Zeitpunkt der Messwerterfassung nur noch eine Differenz gebildet werden muss.
Vorteilhaft ist, wenn das Verfahren eine der zuvor beschriebenen Vorrichtungen nutzt.
Beispielsweise kann das Bestimmen der und/oder des im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder wirkenden Drehmoments durch das Rechen- und Steuermittel mit Hilfe eines kinematischen Modells der medizinischen roboterartigen Vorrichtung erfolgen. Verfahrensschritte, die Vorgänge mit Komponenten einer der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausführen, sind ebenfalls denkbar, wie beispielsweise das Berücksichtigen durch einen Beschleunigungssensor des Messmittelsystems gemessener Beschleunigungen in dem kinematischen Modell.
Zudem ist es von Vorteil, wenn das Verfahren zumindest teilweise automatisch und/oder wiederholt ausgeführt wird.
Automatisch ausgeführte Verfahren bieten den Vorteil, dass weniger Eingriffe einer Bedienperson notwendig sind, die oftmals zeitaufwändig und fehleranfällig sind. Beispielsweise kann das Rechen- und Steuermittel aus Messwerten des Messmittelsystems und des kinematischen Modells automatisch eine Kraft und/oder ein Drehmoment, die und/oder das im Wesentlichen in einem Punkt der kinematischen Kette wirkt berechnen.
Das Verfahren kann wiederholt werden, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Unter einem Abbruchkriterium kann beispielsweise das Drücken eines Tasters oder das Erreichen eines vorgebbaren Zählerstandes eines Wiederholungszählers verstanden werden. Durch die Abfrage des Abbruchkriteriums kann das Verfahren wiederholt ausgeführt werden. In Verbindung mit zumindest teilweise automatisch ausgeführten Verfahrensschritten kann ein quasi kontinuierlich ablaufendes Verfahren gebildet werden.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren samt Beschreibung. Es zeigen:
1 ein Beispiel einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
2 beispielhaft und schematisch eine erfindungsgemäße medizinische roboterartige Vorrichtung;
3 schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Anordnung von vier Kraftsensoren in einer Draufsicht;
4 schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Anordnung von vier Kraftsensoren in einer Seitenansicht;
5 schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Anordnung von vier Kraftsensoren und vier Drehmomentsensoren in einer Draufsicht;
6 schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Anordnung von vier Kraftsensoren und vier Drehmomentsensoren in einer Seitenansicht;
7 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Teils einer erfindungsgemäßen medizinischen roboterartigen Vorrichtung mit einem Beschleunigungssensor;
8 beispielhaft ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kollisionsdetektion einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung.
1 zeigt ein Beispiel einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung 10' nach dem Stand der Technik in Gestalt eines Röntgenaufnahmesystems mit einem von einem Ständer in Form eines sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters gehaltenen Endeffektors, hier eines C-Bogens 12', an dessen Enden eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise ein Röntgenstrahler 13' mit Röntgenröhre und Kollimator, und ein Röntgenbilddetektor 14' als Bildaufnahmeeinheit angebracht sind. Mittels des beispielsweise aus der US 7,500,784 B2 bekannten Knickarmroboters, welcher bevorzugt sechs Drehachsen und damit sechs Freiheitsgrade aufweist, kann der C-Bogen beliebig räumlich verstellt werden, zum Beispiel indem er um ein Drehzentrum zwischen dem Röntgenstrahler 13' und dem Röntgenbilddetektor 14' gedreht wird. Der bekannte Knickarmroboter weist ein Grundgestell oder Stativ auf, welches beispielsweise auf einem Boden fest montiert ist. Daran ist drehbar um eine erste Drehachse ein Karussell befestigt. Am Karussell ist schwenkbar um eine zweite Drehachse eine Roboterschwinge angebracht, an der drehbar um eine dritte Drehachse ein Roboterarm befestigt ist. Am Ende des Roboterarms ist drehbar um eine vierte Drehachse eine Roboterhand angebracht. Die Roboterhand weist ein Befestigungselement für den C-Bogen auf, welches um eine fünfte Drehachse schwenkbar und um eine senkrecht dazu verlaufende sechste Rotationsachse rotierbar ist. Der Röntgenbilddetektor 14' kann ein rechteckiger oder quadratischer, flacher Halbleiterdetektor sein, der vorzugsweise aus amorphem Silizium (a-Si) erstellt ist. Es können aber auch integrierende und eventuell zählende CMOS-Detektoren Anwendung finden. Im Strahlengang des Röntgenstrahlers 13' befindet sich auf einer Tischplatte 15' eines Patientenlagerungstisches ein zu untersuchender Patient als Untersuchungsobjekt 16'. An der Röntgendiagnostikeinrichtung ist eine Systemsteuerungseinheit 17' mit einem Bildsystem angeschlossen, das die Bildsignale des Röntgenbilddetektors 14' empfängt und verarbeitet, wobei Bedienelemente nicht dargestellt sind. Die Röntgenbilder können dann auf einem Bildschirm 18' betrachtet werden.
In 2 ist beispielhaft und schematisch eine erfindungsgemäße medizinische roboterartige Vorrichtung 10 mit Kollisionskontrolle dargestellt. Die medizinische roboterartige Vorrichtung 10 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine kinematische Kette mit einem Stativmittel 26, zwei Gelenkmittel 36 und 36' und einen Endeffektor 12, hier symbolisch als Zange dargestellt, der mit nicht dargestellten Positionierungsmitteln, die in den Gelenkmitteln 36 und 36' angeordnet sind, positionierbar ist. Die Gelenkmittel 36 und 36' sind als Drehgelenke ausgeführt und verbinden drei starre Gelenkarme 30, 30' und 30''. Das von dem Gelenkmittel 36 abgewandte Ende des Gelenkarms 30 ist mit dem Stativmittel 26 verbunden. Das Stativmittel 26, das zur mechanischen Stabilisierung im Allgemeinen eine wesentlich höhere Masse aufweist, als der Rest der kinematischen Kette, ist über Entkopplungsmittel 50, hier drei spitz zulaufende fußähnliche Auflagen, die im selben Winkel kreisförmig angeordnet sind, mit einem Messmittelsystems 42, das als Platte symbolisiert ist, verbunden. Das Messmittelsystem 42 ist seinerseits mittels einer Montageplatte 40 mit einem statischen Umgebungsobjekt 48, hier der Boden, verbunden. Die Vorrichtung 10 umfasst weiter ein Rechen- und Steuermittel 20, hier ein Computer, das auch zur Ansteuerung der Positionierungsmittel ausgeführt ist. Das Messmittelsystem 42 und insbesondere die Messsignale des Messmittelsystems 42 dienen der Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments, wobei diese Kraft und/oder dieses Drehmoment im Wesentlichen in einem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirken. Die Messsignale des Messmittelsystems 42 werden an das Rechen- und Steuermittel 20 übertragen, beispielsweise durch ein Datenübertragungsmittel 54, hier ein Datenkabel. Das Rechen- und Steuermittel 20 nimmt die Messsignale des Messmittelsystems 42 entgegen und bestimmt die in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkende Kraft und/oder das in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkende Drehmoment. Dazu verfügt das Rechen- und Steuermittel 20 über ein kinematisches Modell 24. Das kinematische Modell 24 ist hier ein mathematisches Modell der Mechatronik der medizinischen roboterartigen Vorrichtung 10. Mit den bekannten physikalischen Größen der einzelnen mechatronischen Komponenten der medizinischen roboterartigen Vorrichtung 10, insbesondere den geometrischen Abmessungen, wie den Längen 32, 32', 32'' der Gelenkarme 30, 30', 30'', den Massen, den Masseverteilungen und weiteren mechanischen Eigenschaften oder Materialeigenschaften, wie z. B. Steifigkeit, kann beispielsweise mit Verfahren der regelungstechnischen Modellbildung ein mathematisches Modell der roboterartigen Vorrichtung gewonnen werden. Zur Veranschaulichung sind in 2 als schwarze Punkte 34, 34' und 34'' die Schwerpunkte der Gelenkarme 30, 30', 30'' und als umgebende Pfeile deren Trägheitsmomente schematisch eingezeichnet. Als der eine Punkt der kinematischen Kette, in dem die Kraft und/oder in dem das Drehmoment angreift oder wirkt, kann beispielsweise der Schwerpunkt 34 des ersten Gelenkarms 30 gewählt sein. Messsignale des Messmittelsystems 42 messen im Allgemeinen nicht die Kräfte und/oder Drehmomente im Schwerpunkt 34, aber mit Hilfe der zum Beispiel an den Entkopplungsmitteln 50 gemessenen und an das Rechen- und Steuermittel 20 weitergeleiteten Kräfte und/oder Drehmomente und dem kinematischen Modell können die im Schwerpunkt 34 wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente bestimmt oder berechnet werden. Das Rechen- und Steuermittel 20 ist weiter dazu ausgelegt, in Abhängigkeit einer aktuellen Position und/oder eines aktuellen kinematischen Zustands eine Sollkraft und/oder ein Solldrehmoment in dem im Wesentlichen einen Punkt, hier z. B. dem gewählten Schwerpunkt 34, der kinematischen Kette zu bestimmen und die Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment zu bilden. Aus dieser Differenz kann auf eine Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung 10 mit einem vorrichtungsfremden Objekt geschlossen werden. Stimmen die bestimmte und die prognostizierte Kraft und/oder das Drehmoment nicht überein oder übersteigt der Betrag der Differenz einen vorgebbaren Schwellenwert, so kann auf eine zusätzliche Kraft, die auf die Vorrichtung 10 wirkt, also eine Kollision, geschlossen werden, wodurch beispielsweise eine Warnanzeige auf einem Bildschirm 18 ausgegeben werden kann. Vorteilhaft verfügt das Rechen- und Steuermittel 20 über ein Computerprogramm 22, das die Algorithmen zur Kollisionsdetektion umfasst.
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Anordnung von vier Kraftsensoren 44 in einer Draufsicht. Die vier Kraftsensoren 44 sind in diesem Ausführungsbeispiel kostengünstig als Wägezellen ausgeführt, die kreisförmig mit dem gleichen Winkelabstand zwischen einem Stativmittel 26 und einer Montageplatte 40 angeordnet sind. Auf dem Stativmittel 26 schließt sich, nicht dargestellt, der Rest der kinematischen Kette an. Die medizinische roboterartige Vorrichtung – ohne Steuer- und Rechenmittel – ist somit nur über die Wägezellen mit der Montagebasis, d. h. der Montageplatte, und damit der Umgebung, z. B. mit dem Boden, der Decke oder einer Wand, gekoppelt.
In 4 ist schematisch das Ausführungsbeispiel aus 3 in einer Seitenansicht gezeigt. Man erkennt die Lage der Kraftsensoren 44 zwischen dem Stativmittel 26 und der Montageplatte 40, wobei zur Erreichung eines besseren Messsignals nicht bezeichnete Fußelemente zwischen dem Stativmittel 26 und den Kraftsensoren 44 angeordnet sind.
5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Anordnung von vier Kraftsensoren 44 und vier Drehmomentsensoren 46 unterhalb eines Stativmittels 26 in einer Draufsicht. Die vier Kraftsensoren 44 und die vier Drehmomentsensoren 46 sind in eine Montageplatte 40 integriert, wodurch alle sechs Kraftrichtungen und Drehmomentrichtungen messbar sind.
In 6 ist schematisch das Ausführungsbeispiel aus 5 in einer Seitenansicht gezeigt. Die vier Kraftsensoren und die vier Drehmomentsensoren bilden ein Messmittelsystem 42, das in die Montageplatte 40 integriert ist und unterhalb des Stativmittels 26 angeordnet ist.
7 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Teils einer erfindungsgemäßen medizinischen roboterartigen Vorrichtung 10 mit einem Beschleunigungssensor 52. Ein Messmittelsystem 42, das Kraftsensoren und Drehmomentsensoren umfasst, ist wieder in eine Montageplatte 40 integriert und ist unterhalb eines Stativmittels 26 angeordnet. An das Stativmittel 26 schließen sich drei Gelenkarme 30, 30', 30'' und ein Endeffektor 12 an, die durch Gelenkmittel positionierbar sind. Eine Störgröße, die die Messgenauigkeit des Messmittelsystems 42 negativ beeinflussen kann, sind Vibrationen, beispielsweise durch einen schwingenden Boden. Leichte Vibrationen im Boden haben über die Hebelgesetze große Auswirkungen auf das Gesamtsystem, angedeutet durch die gestrichelte Darstellung der medizinischen roboterartigen Vorrichtung. Um diese zu eliminieren, können Entkopplungsmittel 50, wie „Füße”, eingeführt werden, die das System ähnlich wie Lautsprecher von störenden Schwingungen entkoppeln und nur die gewünschten Systemkräfte an Stellen in das Messmittelsystem 42 einleiten. Da beispielsweise bei einem hohen Systemgewicht die Entkopplungsmittel 50 nicht ausreichend effektiv wirken bzw. nicht ideal, z. B. für eine Entkopplung ausreichend spitz, gestaltet werden können, ist in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich der Beschleunigungs- oder Vibrationssensor 52 an einem als statisch angenommenen Umgebungsobjekt, hier an der Montageplatte 40, die fest mit dem Boden verbunden ist, angebracht. Mit Hilfe des Beschleunigungssensors 52 wird die Störgröße gemessen, die in 7 als Schwingungssymbol angedeutet ist. Die Messsignale des Beschleunigungssensors 52 werden wie die Messsignale des Messmittelsystems 42 an ein Rechen- und Steuermittel 20 geleitet, das die durch die Störgröße zu erwartenden Auswirkungen auf das System, hier mit Hilfe eines entsprechend erweiterten kinematischen Modells 24, berechnet. Die bestimmte Störgröße wird bei der Bestimmung der im Wesentlichen in einem Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder des im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Drehmoments berücksichtigt oder kompensiert. Vorteilhaft verfügt das Rechen- und Steuermittel 20 über ein Computerprogramm 22, das die Algorithmen zur Kompensation von Störgrößen und zur Kollisionsdetektion umfasst.
8 zeigt schließlich beispielhaft ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1 zur Kollisionsdetektion einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung. Die medizinische roboterartige Vorrichtung umfasst eine kinematische Kette, wobei die kinematische Kette wenigstens ein Stativmittel, wenigstens ein Gelenkmittel und einen mittels wenigstens eines Positionierungsmittels positionierbaren Endeffektor aufweist, und ein Rechen- und Steuermittel zur Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels. Das Verfahren 1 umfasst die Verfahrensschritte S1 bis S4. Es beginnt, „Start”, mit Verfahrensschritt S1 und endet, „Ende”, nach Verfahrensschritt S4. Die einzelnen Verfahrensschritte lauten:

S1) Messen wenigstens einer Kraft und/oder wenigstens eines Drehmoments durch ein Messmittelsystem der medizinischen roboterartigen Vorrichtung und Übertragen wenigstens eines Messsignals des Messmittelsystems an das Rechen- und Steuermittel;
S2) Entgegennahme des wenigstens einen Messsignals des Messmittelsystems durch das Rechen- und Steuermittel und Bestimmung einer und/oder eines im Wesentlichen in einem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder wirkenden Drehmoments;
S3) durch das Rechen- und Steuermittel Bestimmen einer Sollkraft und/oder eines Solldrehmoments in dem im Wesentlichen einen Punkt der kinematischen Kette, in Abhängigkeit einer aktuellen Position und/oder eines aktuellen kinematischen Zustands und Detektieren einer Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung, abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment;
S4) Abfrage eines Abbruchkriteriums und wenn das Abbruchkriterium nicht erfüllt, „N”, ist, Sprung zu Verfahrensschritt S1, ansonsten, „J”, Abbruch des Verfahrens.

Vorzugsweise werden alle oder einzelne Verfahrensschritte automatisch ausgeführt.
Zusammenfassend werden weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung beschrieben. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein unterbestimmtes Sensorsystem, das vorteilhafterweise am Boden oder an einem Montagepunkt der kinematischen Kette angeordnet ist, um eine gesamtheitliche Abdeckung des Bewegungsraums zur Kollisionsdetektion zu realisieren.
Durch die Verwendung von Kraft- und/oder Drehmomentsensorik an einer zentralen Stelle und entsprechenden Algorithmen, lässt sich ein sicheres, selbstüberwachendes System zur Kollisionsdetektion aufbauen. So kann beispielsweise eine Sensoranordnung an der Montageplatte zwischen Boden und dem dynamischen System zur Überwachung des kompletten Systems, zwischen Decke und dem dynamischen System zur Überwachung des kompletten Systems, oder an einer beliebigen Stelle in der kinematischen Kette des Systems zur Überwachung des kompletten Systems oder eines Teilsystems dienen. In vorteilhafter Weise wird die Kraftsensorik, auch engl. „force sensor system” genannt, am Anfang der kinematischen Kette des Systems integriert, wobei sie sogar mit der Montageplatte, engl. „mounting plate”, vereint werden kann. Lösungen, die erst später in der Kette greifen, z. B. bei einer Sensorik zwischen C-Arm Stativbasis und dem eigentlichen C-Arm, und damit nur bestimmte Teile bzgl. einer Kollision abdecken, können ebenso zielführend sein. Die Geometrie des Systems und die Winkelpositionen, die den Achsdaten entsprechen, sind üblicherweise bekannt. Hieraus kann bereits ein Modell mit guter Genauigkeit erstellt werden, durch welche Kräfte und Drehmomente, die auf die Kraftsensorik wirken sollten, berechnet werden können.
Durch entsprechende Algorithmen und das kinematische Modell lässt sich die medizinische roboterartige Vorrichtung zuverlässig, sicher und mit hoher Präzision überwachen. Die Algorithmen umfassen üblicherweise die aus der Denavit-Hartenberg-Transformation bekannten dh-Parameter, d. h. insbesondere die Achswinkel und die Abstände der Achsen zueinander und mechanische Eigenschaften der Bauteile oder Komponenten, wie Gewicht, Schwerpunktlage, Massenträgheit. Hieraus lässt sich zu jedem Zeitpunkt ein Gesamtschwerpunkt, gegebenenfalls inklusive Schwingverhalten, bestimmen. Aus diesem Gesamtschwerpunkt lassen sich die Kräfte und Drehmomente auf das Sensorkoordinatensystem und damit auf das Messmittelsystem zurückrechnen. Beide Hauptkomponenten, das Sensorsystem und die Algorithmen, sind flexibel anpassbar. Das bedeutet, dass das Sensorsystem zum Beispiel schnell an andere Anflanschpunkte, Gewichte und dynamische Einflüsse, wie z. B. höhere Beschleunigungen, angepasst werden kann. Dies gilt auch für die Algorithmen, die z. B. durch meist vorhandene CAD-Modelle schnell adaptiert werden können, so dass auch weitere Achsen oder Gelenkarme berücksichtigt werden können. Ein ständiger Vergleich zwischen Soll- und Ist-Wert ermöglicht ein sicheres System, trotz komplexer Algorithmen, da jede Abweichung, ob durch eine Kollision oder ein Fehler in der Modellierung verursacht, zu einem Fehlerzustand des Systems führen würde und somit erkannt werden würde. Praktische Tests haben gezeigt, dass bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Gesamtgewicht von ca. 1,5 t bereits in einem Abstand von 2 m zur ersten Achse eine rechnerische Kollisionskraftauflösung von 50 N erreicht werden kann.
Um äußere Einflüsse zu minimieren ist es sinnvoll einen Vibrations- oder Beschleunigungssensor zu integrieren, der diese Einflüsse misst und deren Auswirkungen über das Schwingverhalten der Einzelbauteile mit einkalkuliert.
Prinzipiell ist diese Art der Kollisionsdetektion auch in anderen Gebieten außerhalb der Medizintechnik, wie im industriellen Bereich, anwendbar. Eine Ausgestaltung kann somit folgendermaßen beschrieben werden: Roboterartige Vorrichtung mit Kollisionskontrolle, umfassend eine kinematische Kette, welche kinematische Kette wenigstens ein Stativmittel, wenigstens ein Gelenkmittel und einen mittels wenigstens eines Positionierungsmittels positionierbaren Endeffektor aufweist, und umfassend ein Rechen- und Steuermittel zur Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die roboterartige Vorrichtung ein Messmittelsystem zur Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments aufweist, wobei die Kraft und/oder das Drehmoment im Wesentlichen in einem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkt, und wobei wenigstens ein Messsignal des Messmittelsystems an das Rechen- und Steuermittel übertragbar ist, dass das Rechen- und Steuermittel zur Entgegennahme des wenigstens einen Messsignals des Messmittelsystems und zur Bestimmung der und/oder des im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder wirkenden Drehmoments ausgelegt ist und dass das Rechen- und Steuermittel dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit einer aktuellen Position und/oder eines aktuellen kinematischen Zustands eine Sollkraft und/oder ein Solldrehmoment in dem im Wesentlichen einen Punkt der kinematischen Kette zu bestimmen und abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment eine Kollision der roboterartigen Vorrichtung zu detektieren. Ergänzend sind analog ein oder mehrere der zuvor beschriebenen Merkmale auch bei einer solchen roboterartigen Vorrichtung vorstellbar.

Claims

Medizinische roboterartige Vorrichtung (10) mit Kollisionskontrolle umfassend eine kinematische Kette, welche kinematische Kette wenigstens ein Stativmittel (26), wenigstens ein Gelenkmittel (36, 36') und einen mittels wenigstens eines Positionierungsmittels positionierbaren Endeffektor (12) aufweist, und umfassend ein Rechen- und Steuermittel (20) zur Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels, wobei – die medizinische roboterartige Vorrichtung (10) ein Messmittelsystem (42) zur Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments aufweist, wobei die Kraft und/oder das Drehmoment im Wesentlichen in einem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkt, und wobei wenigstens ein Messsignal des Messmittelsystems (42) an das Rechen- und Steuermittel (20) übertragbar ist, – das Rechen- und Steuermittel (20) zur Entgegennahme des wenigstens einen Messsignals des Messmittelsystems (42) und zur Bestimmung der und/oder des im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder wirkenden Drehmoments ausgelegt ist und – das Rechen- und Steuermittel (20) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit einer aktuellen Position und/oder eines aktuellen kinematischen Zustands eine Sollkraft und/oder ein Solldrehmoment in dem im Wesentlichen einen Punkt der kinematischen Kette zu bestimmen und abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment eine Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung (10) zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass – in die Bestimmung der im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder des wirkenden Drehmoments und/oder der im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Sollkraft und/oder des Solldrehmoments ein kinematisches Modell (24) eingeht und – das Messmittelsystem (42) zwischen dem Stativmittel (26) und dem Boden (48) in einer Montageplatte (40) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittelsystem (42) wenigstens drei Kraftsensoren (44) und/oder wenigstens drei Drehmomentsensoren (46) umfasst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Kraftsensoren (44) und/oder die wenigstens drei Drehmomentsensoren (46) kreisförmig und im gleichen Winkel voneinander angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Stativmittel (26) und dem Messmittelsystem (42) wenigstens ein Entkopplungsmittel (50) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittelsystem (42) einen Beschleunigungssensor (52) zur Messung von Beschleunigungen umfasst und dass gemessene Beschleunigungen in das kinematische Modell (24) eingehen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollisionsdetektion in die Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels eingeht.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels eine Verkleinerung des Betrags der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment bewirkt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endeffektor (12) einen C-Bogen mit einem Röntgenstrahler (13') und einem Röntgenbilddetektor (14') umfasst.
Verfahren (1) zur Kollisionsdetektion einer medizinischen roboterartigen Vorrichtung (10), wobei die medizinische roboterartige Vorrichtung (10) eine kinematische Kette, welche kinematische Kette wenigstens ein Stativmittel (26), wenigstens ein Gelenkmittel (36, 36') und einen mittels wenigstens eines Positionierungsmittels positionierbaren Endeffektor (12) aufweist, und ein Rechen- und Steuermittel (20) zur Ansteuerung des wenigstens einen Positionierungsmittels, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (1) folgende Verfahrensschritte umfasst: S1) Messen wenigstens einer Kraft und/oder wenigstens eines Drehmoments durch ein Messmittelsystem (42) der medizinischen roboterartigen Vorrichtung (10) und Übertragen wenigstens eines Messsignals des Messmittelsystems (42) an das Rechen- und Steuermittel (20), S2) Entgegennahme des wenigstens einen Messsignals des Messmittelsystems (42) durch das Rechen- und Steuermittel (20) und Bestimmung einer und/oder eines im Wesentlichen in einem vorgebbaren Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder wirkenden Drehmoments und S3) durch das Rechen- und Steuermittel (20) Bestimmen einer Sollkraft und/oder eines Solldrehmoments in dem im Wesentlichen einen Punkt der kinematischen Kette, in Abhängigkeit einer aktuellen Position und/oder eines aktuellen kinematischen Zustands und Detektieren einer Kollision der medizinischen roboterartigen Vorrichtung (10) abhängig von der Differenz aus der bestimmten wirkenden Kraft und/oder dem wirkenden Drehmoment und der bestimmten Sollkraft und/oder dem Solldrehmoment, wobei zur Bestimmung der im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Kraft und/oder des wirkenden Drehmoments und/oder der im Wesentlichen in dem einen Punkt der kinematischen Kette wirkenden Sollkraft und/oder des Solldrehmoments ein kinematisches Modell (24) verwendet wird und wobei ein Messmittelsystem (42) verwendet wird, welches zwischen dem Stativmittel (26) und dem Boden (48) in einer Montageplatte (40) angeordnet ist.
Verfahren (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (1) eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 nutzt.
Verfahren (1) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (1) zumindest teilweise automatisch und/oder wiederholt ausgeführt wird.