DE102015209773B3 - A method for continuously synchronizing a pose of a manipulator and an input device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Manipulatorsystem und ein Verfahren zur kontinuierlichen Synchronisation der Pose eines Manipulators 100 und einer Eingabevorrichtung 200, wobei die Eingabevorrichtung 200 zur Steuerung des Manipulators 100 eingerichtet ist, und das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Bestimmen 12 einer Abweichung der Pose der Eingabevorrichtung und des Manipulators; Erfassen 13 einer kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung; Bestimmen 15 zumindest eines Korrekturterms; Bestimmen 16 einer neuen Pose des Manipulators aus einer Kombination der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung und des Korrekturterms; und Bewegen 17 des Manipulators in die zuvor bestimmte neue Pose, sodass die Abweichung zumindest verkleinert wird.The present invention comprises a manipulator system and method for continuously synchronizing the pose of a manipulator 100 and an input device 200, wherein the input device 200 is arranged to control the manipulator 100, and the method comprises the steps of: determining 12 a deviation of the pose of the input device and the manipulator; Detecting 13 a commanded change of the pose of the input device; Determining 15 at least one correction term; Determining 16 a new pose of the manipulator from a combination of the commanded change in the pose of the input device and the correction term; and moving 17 the manipulator into the previously determined new pose, so that the deviation is at least reduced.
Description
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Manipulatorsystem zur kontinuierlichen Synchronisation einer Pose eines Manipulators und einer Pose einer Eingabevorrichtung, wobei die Eingabevorrichtung zur Steuerung des Manipulators eingerichtet ist. Das Verfahren und das Manipulatorsystem können beispielsweise in der Telemanipulation eingesetzt werden.The invention relates to a method and a manipulator system for the continuous synchronization of a pose of a manipulator and a pose of an input device, wherein the input device is arranged to control the manipulator. The method and the manipulator system can be used, for example, in telemanipulation.
2. Hintergrund2. Background
Für viele Anwendungen in der Robotik, insbesondere im Bereich der Telemanipulation, werden Eingabevorrichtungen benötigt, die translatorische oder rotatorische Änderungen einer Pose eines Manipulators kommandieren können. Bei der Telemanipulation werden typischerweise Bewegungen eines Eingabepunktes der Eingabevorrichtung erfasst und in entsprechende translatorische und/oder rotatorische Bewegungen eines Manipulators konvertiert.For many applications in robotics, especially in the field of telemanipulation, input devices are needed that can command translational or rotational changes to a pose of a manipulator. In telemanipulation, movements of an input point of the input device are typically detected and converted into corresponding translatory and / or rotational movements of a manipulator.
Der Eingabepunkt der Eingabevorrichtung bildet den Ursprung eines Eingabekoordinatensystems. Wird der Eingabepunkt der Eingabevorrichtung bewegt, so ändern sich die Position des Eingabepunktes und/oder die Orientierung des Eingabekoordinatensystems. Die Position des Eingabepunktes und die Orientierung des Eingabekoordinatensystems bestimmen die Pose der Eingabevorrichtung. Die Position ist durch Angaben bezüglich aller drei translatorischen Freiheitsgrade bestimmt und bestimmt den Ort eines Punktes im Raum. Die Orientierung ist durch Angaben bezüglich aller drei rotatorischen Freiheitsgrade bestimmt und bestimmt die Drehung eines Koordinatensystems im Raum. Analog ist dem Manipulator ebenfalls ein Bezugspunkt zugeordnet. Dieser Bezugspunkt kann beispielsweise der Tool-Center-Point (TCP) sein. Der Bezugspunkt des Manipulators bildet typischerweise den Ursprung eines Ausgabekoordinatensystems. Die Position des Bezugspunktes und die Orientierung des Ausgabekoordinatensystems bestimmen die Pose des Manipulators.The input point of the input device forms the origin of an input coordinate system. When the input point of the input device is moved, the position of the input point and / or the orientation of the input coordinate system change. The position of the input point and the orientation of the input coordinate system determine the pose of the input device. The position is determined by information regarding all three translatory degrees of freedom and determines the location of a point in space. The orientation is determined by information regarding all three rotational degrees of freedom and determines the rotation of a coordinate system in space. Analogously, the manipulator is also assigned a reference point. This reference point can be, for example, the Tool Center Point (TCP). The reference point of the manipulator typically forms the origin of an output coordinate system. The position of the reference point and the orientation of the output coordinate system determine the pose of the manipulator.
Zur Steuerung des Manipulators ist die Eingabevorrichtung mit dem Manipulator verbunden, so dass zumindest Daten zwischen der Eingabevorrichtung und dem Manipulator ausgetauscht werden können. Der Datenaustausch kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Eingabevorrichtung und Manipulator können dabei räumlich voneinander getrennt sein. Telemanipulationssysteme kommen insbesondere dort zum Einsatz, wo für einen Bediener ein direktes Eingreifen unmöglich oder mit Gefahren verbunden ist, oder in Bereichen wo besonders akkurate und sichere Bewegungen ausgeführt werden müssen. Dies ist beispielsweise in der Nukleartechnik, in der Raumfahrttechnik oder der Medizintechnik der Fall.To control the manipulator, the input device is connected to the manipulator, so that at least data can be exchanged between the input device and the manipulator. The data exchange can be wired or wireless. Input device and manipulator can be spatially separated from each other. Telemanipulation systems are particularly useful where direct intervention is impossible or dangerous for an operator or in areas where particularly accurate and safe movements are required. This is the case, for example, in nuclear technology, in space technology or in medical technology.
Ein Manipulator ist gemäß DIN EN ISO 8373 ein automatisch gesteuerter, frei programmierbaren Mehrzweck-Manipulator, der in drei oder mehr Achsen programmierbar ist und zur Verwendung beispielsweise in der Automatisierungstechnik entweder an einem festen Ort oder beweglich angeordnet sein kann. Ein Manipulator führt Endeffektoren, wie Greifer oder Werkzeuge, oder Werkstücke. Solche Manipulatoren werden beispielsweise im Bereich der Medizintechnik eingesetzt, wie etwa in der minimalinvasiven Chirurgie. Dort kann der Manipulator zum Beispiel ein laparoskopisches Instrument führen und sehr kleine Strukturen präzise bearbeiten, oder durch Halten und Führen eines Endoskops die minimalinvasive Bildgebung ermöglichen.According to DIN EN ISO 8373, a manipulator is an automatically controlled, freely programmable multipurpose manipulator which can be programmed in three or more axes and can be arranged for use, for example, in automation technology, either at a fixed location or in a movable manner. A manipulator carries end effectors, such as grippers or tools, or workpieces. Such manipulators are used for example in the field of medical technology, such as in minimally invasive surgery. There, the manipulator can, for example, perform a laparoscopic instrument and precisely process very small structures, or enable minimally invasive imaging by holding and guiding an endoscope.
Abhängig von der Anwendung kann es notwendig sein, zu bestimmten Zeitpunkten oder aufgrund von Ereignissen, wie zum Beispiel aufgrund eines Signals eines Totmannschalters oder des Verlassens des Arbeitsraums des Manipulators, eine Benutzereingabe nicht mehr unmittelbar in eine Manipulatorbewegung umzusetzen. Wird während dieses ausgekoppelten Zustandes die Eingabevorrichtung oder ein Arm des Manipulators bewegt, so sind die Pose der Eingabevorrichtung und die entsprechende Pose des Manipulators nicht mehr synchron, d. h. die von der Eingabevorrichtung kommandierte Pose des Manipulators unterscheidet sich von der tatsächlichen Pose des Manipulators. Ebenso kann eine externe Krafteinwirkung auf den Manipulator im eingekoppelten Zustand zu einer asynchronen Pose des Manipulators führen.Depending on the application, it may be necessary at certain times or due to events such as a dead man's switch signal or leaving the working space of the manipulator to no longer translate user input directly into manipulator motion. If the input device or an arm of the manipulator is moved during this decoupled state, the pose of the input device and the corresponding pose of the manipulator are out of sync, d. H. the manipulator's pose commanded by the input device is different from the actual pose of the manipulator. Likewise, an external force acting on the manipulator in the coupled state can lead to an asynchronous pose of the manipulator.
Stimmen die Pose der Eingabevorrichtung und die entsprechende Pose des Manipulators nicht überein, liegt also eine Abweichung vor, wird unter Umständen eine Eingabe an der Eingabevorrichtung (Master) nicht wie erwartet vom Manipulator (Slave) umgesetzt. Beispielsweise kann eine Abweichung in der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators und des Eingabekoordinatensystems der Eingabevorrichtung dazu führen, dass eine Drehung, welche der Bediener um die x-Achse kommandieren möchte, tatsächlich als Drehung um die y-Achse kommandiert wird. Ein entsprechendes Umdenken des Bedieners wäre notwendig, um den gewohnten Drehachsen der Eingabevorrichtung, die aufgrund der Abweichung abweichenden Drehachsen des Manipulators zuzuordnen und so die gewünschte Änderung der Pose am Manipulator richtig zu kommandieren. Dieses Umdenken ist jedoch äußerst fehleranfällig und daher unerwünscht.If the pose of the input device and the corresponding pose of the manipulator do not match, ie if there is a deviation, an input on the input device (master) may not be converted as expected by the manipulator (slave). For example, a deviation in the orientation of the output coordinate system of the manipulator and the input coordinate system of the input device may cause a rotation that the operator would command about the x-axis actually commanded as a rotation about the y-axis. A corresponding rethinking of the operator would be necessary to the usual axes of rotation of the input device, which deviates due to the deviation To assign rotary axes of the manipulator and so command the desired change in the pose on the manipulator properly. However, this rethinking is extremely prone to error and therefore undesirable.
Bei bekannten Verfahren zur Synchronisation der Pose einer Eingabevorrichtung und eines Manipulators muss die Pose der Eingabevorrichtung nach der Ermittlung der Abweichung in einem ausgekoppelten Zustand korrigiert werden, beispielsweise durch manuelles Bewegen der Eingabevorrichtung bis zur korrekten Pose. Gemäß diesem bekannten Verfahren ist ein Steuern des Manipulators mittels der Eingabevorrichtung während der Synchronisation nicht möglich, wodurch Arbeitsabläufe verzögert werden. Bei anderen Verfahren werden aktive Eingabevorrichtungen benötigt, die sich selbstständig auf die korrekte Pose einstellen.In known methods for synchronizing the pose of an input device and a manipulator, the pose of the input device must be corrected after detecting the deviation in a decoupled state, for example by manually moving the input device to the correct pose. According to this known method, controlling the manipulator by means of the input device during the synchronization is not possible, which delays work processes. Other methods require active input devices that self-adjust to the correct pose.
Beispielsweise offenbart die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei auftretenden Abweichungen in der Pose des Manipulators und der Pose der Eingabevorrichtung, diese Abweichungen kontinuierlich während der Steuerung des Manipulators zu synchronisieren. Somit können die oben beschriebenen Nachteile ausgeräumt werden.It is therefore an object of the present invention, in the event of deviations in the pose of the manipulator and the pose of the input device, to continuously synchronize these deviations during the control of the manipulator. Thus, the disadvantages described above can be eliminated.
3. Ausführliche Beschreibung der Erfindung3. Detailed description of the invention
Die oben genannten Aufgaben werden gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur kontinuierlichen Synchronisation einer Pose eines Manipulators und einer Pose der Eingabevorrichtung gemäß Anspruch 1, sowie durch ein entsprechendes Manipulatorsystem nach Anspruch 14.The above objects are achieved by a method according to the invention for the continuous synchronization of a pose of a manipulator and a pose of the input device according to
Insbesondere werden die oben genannten Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Synchronisation der Pose eines Manipulators und einer Eingabevorrichtung, wobei die Eingabevorrichtung zur Steuerung des Manipulators eingerichtet ist, und das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- a) Bestimmen der Abweichung in der Pose des Manipulators und der Eingabevorrichtung zu einem ersten Zeitpunkt tk;
- b) Erfassen einer kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung, und Konvertieren der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in eine kommandierte Änderung der Pose des Manipulators;
- c) Bestimmen zumindest eines Korrekturterms, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in der Richtung der Abweichung verläuft, wobei der Korrekturterm so bestimmt wird, dass der Korrekturterm in Richtung der genannten zumindest einen Komponente verläuft;
- d) Bestimmen einer neuen Pose des Manipulators, wobei sich die neue Pose des Manipulators aus der Kombination der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung und des zuvor bestimmten Korrekturterms ergibt, wobei sich die Abweichung zumindest verringert; und
- e) Bewegen des Manipulators in die zuvor bestimmte, neue Pose des Manipulators, sodass die neue Pose bis zu einem zweiten Zeitpunkt tk+1 erreicht wird.
- a) determining the deviation in the pose of the manipulator and the input device at a first time t k ;
- b) detecting a commanded change in the pose of the input device, and converting the commanded change in the pose of the input device into a commanded change in the pose of the manipulator;
- c) determining at least one correction term when at least one component of the commanded change in pose of the input device is in the direction of the deviation, the correction term being determined such that the correction term extends toward said at least one component;
- d) determining a new pose of the manipulator, wherein the new pose of the manipulator results from the combination of the commanded change of the pose of the input device and the previously determined correction term, wherein the deviation is at least reduced; and
- e) moving the manipulator into the previously determined, new pose of the manipulator so that the new pose is reached until a second time t k + 1 .
Das Bestimmen der Abweichung in Verfahrensschritt a) kann beispielsweise durch einen Vergleich der absoluten Pose der Eingabevorrichtung und der absoluten Pose des Manipulators erfolgen. Dabei wird vorzugsweise ein gemeinsames Referenzsystem genutzt und der Betrag und die Richtung der Abweichung in der Position von Eingabepunkt und Bezugspunkt und der Orientierung von Eingabekoordinatensystem und Ausgabekoordinatensystem bestimmt.The determination of the deviation in method step a) can take place, for example, by a comparison of the absolute pose of the input device and the absolute pose of the manipulator. In this case, it is preferable to use a common reference system and to determine the amount and the direction of the deviation in the position of the input point and reference point and the orientation of the input coordinate system and the output coordinate system.
Beispielsweise wird die Abweichung bestimmt, indem die Posen (Orientierung und Position) der Eingabevorrichtung (Master)
Wobei RM, RS die Orientierung des Eingabekoordinatensystems (Index M) bzw. des Ausgabekoordinatensystems (Index S) und p →M, p →S entsprechend die Position des Eingabepunktes bzw. des Bezugspunktes bezeichnet. Folglich kann die Abweichung in der Translation p →r bestimmt werden:
Die Abweichung in der Orientierung Rr bestimmt sich beispielsweise zu:
Ein gemeinsames Referenzsystem ist vorteilhaft, da so die Bestimmung der Abweichung beschleunigt werden kann. Besonders bevorzugt liegt das Bestimmen der Abweichung lediglich im Abrufen und/oder Verwenden bereits bekannter Abweichungsdaten. Zur Ausführung des Verfahrens genügt es, dass dem Manipulatorsystem die Abweichung bekannt ist; eine explizite Berechnung ist in diesem Fall nicht erforderlich. Insbesondere kann die Abweichung in der Pose eine translatorische Abweichung zwischen Bezugspunkt und Eingabepunkt in zumindest einem der drei translatorischen Freiheitsgrade, und/oder eine rotatorische Abweichung zwischen Ausgabekoordinatensystem des Manipulators und Eingabekoordinatensystem der Eingabevorrichtung in zumindest einem der drei rotatorischen Freiheitsgrade sein.A common reference system is advantageous because it allows the determination of the deviation to be accelerated. Particularly preferably, the determination of the deviation is merely in retrieving and / or using already known deviation data. For carrying out the method, it is sufficient that the deviation is known to the manipulator system; an explicit calculation is not required in this case. In particular, the deviation in the pose may be a translational deviation between reference point and input point in at least one of the three translatory degrees of freedom, and / or a rotational deviation between output manipulator system of the manipulator and input coordinate system of the input device in at least one of the three rotational degrees of freedom.
Der Eingabepunkt ist ein Punkt, der der Eingabevorrichtung zugeordnet ist. Wird die Eingabevorrichtung beispielsweise durch einen Bediener bewegt, so wird auch der Eingabepunkt bewegt, wobei sich die Position des Eingabepunktes und/oder die Orientierung des Eingabekoordinatensystems ändern. Folglich ändert sich die Pose der Eingabevorrichtung, welche durch die Position des Eingabepunktes und die Orientierung des Eingabekoordinatensystems bestimmt ist. Der Eingabepunkt ist der Ursprung des Eingabekoordinatensystems. Die so kommandierte Änderung der Pose der Eingabevorrichtung wird vom Manipulatorsystem erfasst, und in eine entsprechende Änderung der Pose des Manipulators konvertiert. Zur Bestimmung der Pose des Manipulators ist dem Manipulator ein Bezugspunkt zugeordnet, der den Ursprung eines Ausgabekoordinatensystems bildet. Die Position des Bezugspunktes und die Orientierung des Ausgabekoordinatensystems bestimmen die Pose des Manipulators. Typischerweise ist der Bezugspunkt der Tool Center Point (TCP), der Handwurzelpunkt des Manipulators (HWP), oder ein anderer, für die Bewegung des Manipulators charakteristischer Punkt. Wird der Manipulator entsprechend der kommandierten Änderung der Pose des Manipulators bewegt, so kann der Bediener den Manipulator mittels der Eingabevorrichtung steuern. Eingabevorrichtungen sind bekannt und können unter anderem beispielsweise 6D Mäuse, haptische Eingabevorrichtungen, wie beispielsweise die Omega-Eingabevorrichtungen von Force Dimension, oder sensitive Manipulatoren, wie beispielsweise LBR iiwa der KUKA AG umfassen.The entry point is a point associated with the input device. If the input device is moved, for example, by an operator, the input point is also moved, with the position of the input point and / or the orientation of the input coordinate system changing. Consequently, the pose of the input device, which is determined by the position of the input point and the orientation of the input coordinate system, changes. The entry point is the origin of the input coordinate system. The thus commanded change in the pose of the input device is detected by the manipulator system, and converted into a corresponding change in the pose of the manipulator. To determine the pose of the manipulator, the manipulator is assigned a reference point, which forms the origin of an output coordinate system. The position of the reference point and the orientation of the output coordinate system determine the pose of the manipulator. Typically, the reference point is the Tool Center Point (TCP), the wrist-man point of the manipulator (HWP), or another point characteristic of manipulator motion. When the manipulator is moved in accordance with the commanded change in pose of the manipulator, the operator can control the manipulator by means of the input device. Input devices are known and may include, for example, 6D mice, haptic input devices, such as Force Dimension omega input devices, or sensitive manipulators, such as KUKA AG's LBR iiwa.
Um die zuvor bestimmte Abweichung zu korrigieren und so die Pose der Eingabevorrichtung und die Pose des Manipulators zu synchronisieren, ist es vorteilhaft einen Korrekturterm zu bestimmen, mittels dessen die bestehende Abweichung während des Ausführens von Bewegungen gemäß der kommandierten Änderung der Pose des Manipulators, respektive den kommandierten Änderungen der Pose der Eingabevorrichtung, verringert oder sogar eliminiert werden kann. Somit kann die Abweichung synchronisiert werden, während der Manipulator bereits mittels der Eingabevorrichtung gesteuert wird. Dies erfolgt für den Bediener quasi unmerklich, so dass die Synchronisation quasi von allein in Laufe der Benutzung erfolgt.In order to correct the previously determined deviation and thus to synchronize the pose of the input device and the pose of the manipulator, it is advantageous to determine a correction term by which the existing deviation during the execution of movements according to the commanded change of the pose of the manipulator, respectively Commanded changes in the pose of the input device, can be reduced or even eliminated. Thus, the deviation can be synchronized while the manipulator is already being controlled by the input device. This is done almost imperceptibly for the operator, so that the synchronization takes place quasi by itself in the course of use.
Vorzugsweise wird der Korrekturterm dann bestimmt, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in der Richtung (translatorische Richtung und Drehsinn) der Abweichung verläuft. Dabei kann sich die kommandierte Änderung der Pose der Eingabevorrichtung aus einer rotatorischen und einer translatorischen Änderung zusammensetzen. Die rotatorische Änderung kann mittels dreier Komponenten bestimmt werden, welche durch die drei rotatorischen Freiheitsgrade eindeutig bestimmbar sind. Die translatorische Änderung kann ebenso mittels dreier Komponenten bestimmt werden, welche durch die drei translatorischen Freiheitsgrade eindeutig bestimmenbar sind. Somit entsprechen die Komponenten der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung, beispielsweise in einem kartesischen Referenzsystem, den translatorischen Achsen x, y und z und den Rotationen um eben diese Achsen, die beispielsweise durch die Winkel α, β, γ beschrieben werden. Wird zur Beschreibung der kommandierten Änderung ein anderes Koordinatensystem oder eine andere Darstellung gewählt, so können die Komponenten auch in diesem Koordinatensystem oder dieser Darstellung beschrieben werden.Preferably, the correction term is determined when at least one component of the commanded change in the pose of the input device is in the direction (translational direction and direction of rotation) of the deviation. In this case, the commanded change in the pose of the input device can be composed of a rotational and a translatory change. The rotational change can be determined by means of three components, which can be determined unambiguously by the three rotational degrees of freedom. The translational change can also be determined by means of three components, which can be determined unambiguously by the three translatory degrees of freedom. Thus, the components of the commanded change correspond to the pose of the input device, for example in one Cartesian reference system, the translational axes x, y and z and the rotations about these same axes, which are described for example by the angle α, β, γ. If a different coordinate system or another representation is selected to describe the commanded change, the components can also be described in this coordinate system or in this representation.
Die Richtung der Abweichung kann ebenfalls entsprechend der Komponenten beschrieben werden, und umfasst demgemäß sowohl die Richtung einer Translation und den Drehsinn einer Rotation. Eine Komponente verläuft genau dann in Richtung der Abweichung, wenn diese in positiver oder negativer Richtung der Abweichung verläuft, also gleichgerichtet oder entgegengesetzt ist. Die Abweichung weist in positiver Richtung vom Eingabepunkt zum Bezugspunkt, bzw. von einer Orientierung des Eingabekoordinatensystems zu einer Orientierung des Ausgabekoordinatensystems.The direction of the deviation may also be described according to the components, and accordingly includes both the direction of translation and the sense of rotation. A component runs in the direction of the deviation if and only if it runs in the positive or negative direction of the deviation, ie it is rectified or opposite. The deviation points in the positive direction from the input point to the reference point, or from an orientation of the input coordinate system to an orientation of the output coordinate system.
Die Bestimmung eines Korrekturterms, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in der Richtung der Abweichung verläuft, ist vorteilhaft, da nur in diesem Fall ein Korrekturterm gemäß dem bevorzugten Verfahren benötigt wird. Da die Steuerung des Manipulators mittels der Eingabevorrichtung typischerweise ein Echtzeiterfordernis aufweist, ist die Berechnung des Korrekturterms zeitkritisch. Wird der Korrekturterm nur berechnet, wenn er benötigt wird, so kann Rechenzeit eingespart werden. Das Manipulatorsystem kann folglich effizient und schnell arbeiten.The determination of a correction term when at least one component of the commanded change in the pose of the input device is in the direction of the deviation is advantageous since only in this case a correction term according to the preferred method is needed. Since the control of the manipulator by means of the input device typically has a real-time requirement, the calculation of the correction term is time-critical. If the correction term is calculated only when it is needed, then calculation time can be saved. The manipulator system can thus operate efficiently and quickly.
Da der Korrekturterm in Richtung der genannten zumindest einen Komponente der Änderung der kommandierten Pose der Eingabevorrichtung verläuft, also in deren positiver oder negativer Richtung, beeinflusst der Korrekturterm die neue Pose des Manipulators, welche in Verfahrensschritt d) bestimmt wird, so dass sich die Abweichung zumindest verringert.Since the correction term runs in the direction of said at least one component of the change in the commanded pose of the input device, ie in its positive or negative direction, the correction term influences the new pose of the manipulator, which is determined in method step d), so that the deviation is at least reduced.
In einem veranschaulichenden, eindimensionalen Beispiel sei die Position des Bezugspunktes (entspricht hier der Pose des Manipulators) um 5 Einheiten in positiver Richtung gegenüber der Position des Eingabepunktes (entspricht hier der Pose der Eingabevorrichtung) verschoben. Die Abweichung beträgt folglich +5. Wird nun eine Änderung der Position des Eingabepunktes kommandiert, welche beispielsweise 3 Einheiten in positiver Richtung (+3) beträgt, so wird ein Korrekturterm bestimmt. Im genannten Beispiel sei die Skalierung des Manipulatorsystems 1:1, so dass beim Konvertieren der kommandierten Änderung der Position des Eingabepunktes in eine kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes, eine kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes von +3 in positiver Richtung bestimmt würde. Ohne einen Korrekturterm würde diese kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes umgesetzt, sodass nach dem Bewegen des Bezugspunktes des Manipulators die Abweichung noch immer +5 betrüge. Wird nun ein Korrekturterm bestimmt, welcher die Abweichung zumindest verringert, so könnte dieser beispielsweise 2 Einheiten in negativer Richtung (–2) betragen. Bei der Bestimmung einer neuen Position des Bezugspunktes des Manipulators durch die Kombination der kommandierten Änderung der Position des Eingabepunktes und des zuvor bestimmten Korrekturterms, ergäbe sich beispielsweise eine neue Position die 1 Einheit in positiver Richtung von der ursprünglichen Pose des Bezugspunktes entfernt läge. Da der Eingabepunkt jedoch um 3 Einheiten in positiver Richtung, der Bezugspunkt hingegen nur um 1 Einheit in positiver Richtung bewegt würde, ergäbe sich eine neue, verringerte Abweichung von +3 (+5 – 2 = +3).In an illustrative, one-dimensional example, the position of the reference point (corresponding to the pose of the manipulator) is shifted by 5 units in the positive direction relative to the position of the input point (corresponds to the pose of the input device). The deviation is therefore +5. If a change of the position of the input point is now commanded, which for example amounts to 3 units in the positive direction (+3), then a correction term is determined. In the example mentioned, the scaling of the manipulator system is 1: 1, so that when converting the commanded change of the position of the input point into a commanded change in the position of the reference point, a commanded change of the position of the reference point would be determined by +3 in the positive direction. Without a correction term, this commanded change in the position of the reference point would be implemented so that after moving the reference point of the manipulator, the deviation would still be +5. If a correction term is then determined which at least reduces the deviation, this could be, for example, 2 units in the negative direction (-2). In determining a new position of the reference point of the manipulator through the combination of the commanded change of the position of the input point and the previously determined correction term, for example, a new position would be the unit in the positive direction away from the original pose of the reference point. However, since the input point would be moved by 3 units in the positive direction, the reference point would only move by 1 unit in the positive direction, would result in a new, reduced deviation of +3 (+5 - 2 = +3).
Wie im vereinfachten Beispiel gezeigt, kann die Abweichung mit dem beschriebenen Verfahren während der Steuerung des Manipulators verringert werden. Dies ist vorteilhaft, da so Abweichungen sukzessive ausgeglichen werden können, bis die Pose der Eingabevorrichtung und die Pose des Manipulators wieder synchron sind. Diese Synchronisierung erfolgt ohne bewusstes Korrigieren des Bedieners und kann somit im Hintergrund und quasi unbemerkt ablaufen. Die Steuerung des Manipulators kann dabei ohne größere Beeinträchtigungen erfolgen, auch wenn die Pose der Eingabevorrichtung und die Pose des Manipulators zunächst nicht synchron sind.As shown in the simplified example, the deviation can be reduced with the described method during the manipulation of the manipulator. This is advantageous, as it allows deviations to be compensated successively until the pose of the input device and the pose of the manipulator are synchronized again. This synchronization takes place without deliberately correcting the operator and can therefore take place in the background and virtually unnoticed. The control of the manipulator can be done without major adverse effects, even if the pose of the input device and the pose of the manipulator are initially out of sync.
Vorzugsweise wird eine kommandierte Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in eine kommandierte Änderung der Pose des Manipulators mittels eines Skalierungsfaktors „f” konvertiert und der Skalierungsfaktor ist vorzugsweise 0 < f ≤ 1. Eine Skalierung der Konvertierung der Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in eine Änderung der Pose des Manipulators, ermöglicht in einem ersten Fall, kleine Bewegungen des Eingabepunktes/Eingabekoordinatensystems der Eingabevorrichtung in große Bewegungen des Bezugspunktes/Ausgabekoordinatensystems des Manipulators zu konvertieren. Umgekehrt können in einem zweiten Fall, große Bewegungen des Eingabepunktes/Eingabekoordinatensystems der Eingabevorrichtung in kleine Bewegungen des Bezugspunktes/Ausgabekoordinatensystems des Manipulators konvertiert werden.Preferably, a commanded change in the pose of the input device is converted to a commanded change in pose of the manipulator by means of a scaling factor "f" and the scaling factor is preferably 0 <f ≤ 1. Scaling the conversion of the pose of the input device to a change in pose of the manipulator, in a first case allows to convert small movements of the input / input coordinate system of the input device into large movements of the reference point / output coordinate system of the manipulator. Conversely, in a second case, large movements of the input point / input coordinate system of the input device may be converted into small movements of the reference point / output coordinate system of the manipulator.
Im ersten Fall können beispielsweise durch die Eingabevorrichtung große Manipulatoren gesteuert werden. Dies ermöglicht das Bewegen großer Gegenstände oder Werkzeuge mittels des Manipulators über weite Strecken. Gemäß dem zweiten Fall wird der Skalierungsfaktor f vorzugsweise im Bereich 0 < f ≤ 1 gewählt, so dass beispielsweise Bewegungen an der Eingabevorrichtung in kleine Bewegungen des Manipulators umgesetzt werden. Eine solche Anwendung findet sich beispielsweise in der minimal invasiven Chirurgie. Die Bewegungen des Eingabepunktes der Eingabevorrichtung können so in sehr kleine, präzise Bewegungen des Manipulators konvertiert werden. In the first case, for example, large manipulators can be controlled by the input device. This allows moving large objects or tools by means of the manipulator over long distances. According to the second case, the scaling factor f is preferably selected in the range 0 <f ≦ 1, so that, for example, movements on the input device are converted into small movements of the manipulator. Such an application is found, for example, in minimally invasive surgery. The movements of the input point of the input device can thus be converted into very small, precise movements of the manipulator.
Vorzugsweise wird der Korrekturterm so bestimmt, dass, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in positiver Richtung der Abweichung verläuft, der Manipulator in der entsprechenden Komponente um einen translatorischen und/oder rotatorischen Betrag weniger weit bewegt wird, als von der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung, welche in eine kommandierte Änderung der Pose des Manipulators konvertiert wird, kommandiert ist.Preferably, the correction term is determined such that when at least one component of the commanded change in the pose of the input device is in the positive direction of the deviation, the manipulator in the corresponding component is moved less by a translational and / or rotational amount than commanded Change the pose of the input device, which is converted into a commanded change in the pose of the manipulator commanded.
Wird der Korrekturterm so gewählt, so kann die Eingabevorrichtung den Manipulator während der Bewegung des Manipulators einholen. Dies führt zumindest zu einer Verringerung der Abweichung und vorzugsweise bei wiederholter kommandierter Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in positiver Richtung der Abweichung zu einer vollständigen Eliminierung der Abweichung und somit zur Synchronisation. Insbesondere kann die Abweichung bereits bei der ersten kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in positiver Richtung der Abweichung vollständig synchronisiert sein. Vorzugsweise wird der Manipulator in der Richtung der kommandierten Änderung um einen translatorischen und/oder rotatorischen Betrag weniger weit bewegt als kommandiert, bis die Eingabevorrichtung den Manipulator eingeholt hat. Somit wird zwar die vollständige Synchronisation verzögert, jedoch erfährt der Bediener eine unmittelbare Rückmeldung, in Form einer Bewegung des Manipulators, auf seine Eingabe an der Eingabevorrichtung. Dadurch wird die Steuerung des Manipulatorsystems vereinfacht. Insbesondere wird ein Übersteuern durch den Bediener vermieden, da dieser eine unmittelbare Rückmeldung erfährt.If the correction term is selected, the input device can catch up with the manipulator during the movement of the manipulator. This leads at least to a reduction of the deviation and preferably in the case of repeated commanded change of the pose of the input device in the positive direction of the deviation to a complete elimination of the deviation and thus to synchronization. In particular, the deviation may already be completely synchronized in the positive direction of the deviation during the first commanded change in the pose of the input device. Preferably, the manipulator is moved in the direction of the commanded change by a translatory and / or rotational amount less than commanded until the input device has overtaken the manipulator. Thus, while the full synchronization is delayed, the operator experiences immediate feedback, in the form of movement of the manipulator, to his input on the input device. This simplifies the control of the manipulator system. In particular, an override is avoided by the operator, as this experiences an immediate feedback.
Die Rückmeldung erfährt der Bediener vorzugsweise durch direkten Sichtkontakt auf den Manipulator. Ist die Skalierung so klein gewählt, dass eine direkte visuelle Rückmeldung nicht möglich ist, oder ist eine direkte visuelle Rückmeldung beispielsweise aufgrund der räumlichen Trennung von Eingabevorrichtung und Manipulator nicht möglich, so wird vorzugsweise eine Anzeigevorrichtung verwendet, um die Rückmeldung an den Bediener auszugeben. Eine solche Anzeigevorrichtung kann ein Display umfassen, auf welchem zumindest ein Teil des Manipulators, insbesondere der Bezugspunkt und/oder das Ausgabekoordinatensystem des Manipulators abgebildet wird. Die Abbildung des Bezugspunkts und/oder des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators kann eine schematische Darstellung umfassen oder auf realen Bilddaten beruhen. Andere Rückmeldungssysteme, wie beispielsweise eine haptische Rückmeldung sind ebenfalls möglich.The feedback is preferably experienced by the operator by direct visual contact with the manipulator. If the scaling chosen so small that a direct visual feedback is not possible, or a direct visual feedback, for example due to the spatial separation of input device and manipulator is not possible, a display device is preferably used to output the feedback to the operator. Such a display device may comprise a display on which at least a part of the manipulator, in particular the reference point and / or the output coordinate system of the manipulator is imaged. The image of the reference point and / or the output coordinate system of the manipulator may comprise a schematic representation or be based on real image data. Other feedback systems, such as haptic feedback, are also possible.
Vorzugsweise wird der Korrekturterm so bestimmt, dass, wenn zumindest eine Komponente der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in negativer Richtung der Abweichung verläuft, der Manipulator in der entsprechenden Komponente um einen translatorischen und/oder rotatorischen Betrag weiter bewegt wird, als von der kommandierten Änderung der Pose der Eingabevorrichtung, welche in eine kommandierte Änderung der Pose des Manipulators konvertiert wird, kommandiert ist. Eine entsprechende Bestimmung des Korrekturterms ermöglicht die Verringerung der Abweichung auch dann, wenn die Änderung der Pose der Eingabevorrichtung in negativer Richtung der Abweichung verläuft, da der Manipulator die Eingabevorrichtung zumindest teilweise einholen kann. Dies ist vorteilhaft, da so eine sehr schnelle Synchronisation erreicht werden kann. Jedoch gilt es zu beachten, dass der Manipulator eine weitere Bewegung ausführt, als durch den Bediener kommandiert, so dass potentielle Gefahren entstehen können. Diese können beispielsweise eine Kollision mit in der Umgebung befindlichen Strukturen oder Personen sein. In diesem Fall wird vorzugsweise die Bewegung des Manipulators zusätzlich überwacht, um eine sichere Bewegung zu gewährleisten. Die Überwachung umfasst beispielsweise eine Kollisionsüberwachung, eine Arbeitsraumüberwachung eine Singularitätenüberwachung und/oder andere Überwachungsmechanismen.Preferably, the correction term is determined such that, if at least one component of the commanded change in the pose of the input device is in the negative direction of the deviation, the manipulator in the corresponding component is further moved by a translational and / or rotational amount than the commanded change the pose of the input device, which is converted into a commanded change in the pose of the manipulator, is commanded. A corresponding determination of the correction term makes it possible to reduce the deviation even if the change in the pose of the input device is in the negative direction of the deviation, since the manipulator can at least partially catch up with the input device. This is advantageous, since such a very fast synchronization can be achieved. However, it should be noted that the manipulator performs another movement than commanded by the operator so that potential hazards may arise. These may be, for example, a collision with surrounding structures or persons. In this case, preferably, the movement of the manipulator is additionally monitored in order to ensure a safe movement. The monitoring includes, for example, a collision monitoring, a workspace monitoring a singularity monitoring and / or other monitoring mechanisms.
Vorzugsweise umfasst der Korrekturterm einen translatorischen und/oder rotatorischen Korrekturterm. Die Bereitstellung eines translatorischen und/oder rotatorischen Korrekturterms ist vorteilhaft, da der Korrekturterm spezifisch berechnet werden kann. Wird beispielsweise lediglich ein rotatorischer Korrekturterm benötigt, so kann die Bestimmung des translatorischen Korrekturterms weggelassen werden, und so Rechenzeit eingespart werden. Dies gilt auch umgekehrt. Gemäß Verfahrensschritt d) wird die neue Pose des Manipulators aus der Kombination des Korrekturterms und der kommandierten Änderung bestimmt.The correction term preferably comprises a translatory and / or rotational correction term. The provision of a translatory and / or rotational correction term is advantageous since the correction term can be calculated specifically. If, for example, only one rotational correction term is required, the determination of the translatory correction term can be omitted, thus saving computing time. This also applies vice versa. According to method step d), the new pose of the manipulator is determined from the combination of the correction term and the commanded change.
Vorzugsweise ist der Eingabevorrichtung ein Eingabepunkt zugeordnet, wobei der Eingabepunkt der Ursprung eines Eingabekoordinatensystems ist, und wobei die Position des Eingabepunktes und die Orientierung des Eingabekoordinatensystems die Pose der Eingabevorrichtung bestimmen, und wobei dem Manipulator ein Bezugspunkt zugeordnet ist, wobei der Bezugspunkt der Ursprung eines Ausgabekoordinatensystems ist, und wobei die Position des Bezugspunktes und die Orientierung des Ausgabekoordinatensystems die Pose des Manipulators bestimmen. Folglich umfasst eine Änderung der Pose der Eingabevorrichtung bzw. des Manipulators eine Änderung der Position des Eingabepunktes bzw. des Bezugspunktes und eine Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems bzw. des Ausgabekoordinatensystems. Preferably, the input device is associated with an input point, wherein the input point is the origin of an input coordinate system, and wherein the position of the input point and the orientation of the input coordinate system determine the pose of the input device, and wherein the manipulator is assigned a reference point, the reference point being the origin of an output coordinate system and the position of the reference point and the orientation of the output coordinate system determine the pose of the manipulator. Thus, changing the pose of the input device or manipulator includes changing the position of the input point or datum point and changing the orientation of the input coordinate system or the output coordinate system.
Vorzugsweise ist die neue Position des Bezugspunktes des Manipulators, gemäß der neuen Pose des Manipulators, die Vektorsumme der ursprünglichen Position des Bezugspunktes zum Zeitpunkt tk, gemäß der ursprünglichen Pose des Manipulators, des translatorischen Korrekturterms und der kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes des Manipulators. Somit ergibt sich die neue Position des Bezugspunktes zu: Preferably, the new position of the reference point of the manipulator, according to the new pose of the manipulator, is the vector sum of the original position of the reference point at time t k , according to the original pose of the manipulator, the translational correction term and the commanded change of the position of the reference point of the manipulator. This results in the new position of the reference point to:
Wobei die ursprüngliche Position des Bezugspunktes ist, der Korrekturterm ist und die kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes ist.Where the original position of the reference point, the correction term is and the commanded change is the position of the reference point.
Die Berücksichtigung der kommandierten Änderung der Position des Bezugspunktes des Manipulators ermöglicht die Einbeziehung von Skalierungsfaktoren in die Synchronisation. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da sich der Skalierungsfaktor „f” während des Bedienens des Manipulatorsystems ändern kann. So ist es beispielsweise möglich, dass der Bediener etwa, um schnell an eine bestimmte Position gelangen zu können, eine größere Skalierung wählt und diese dann für präzises Arbeiten verkleinert.The consideration of the commanded change of the position of the reference point of the manipulator allows the inclusion of scaling factors in the synchronization. This is particularly advantageous because the scaling factor "f" may change during operation of the manipulator system. It is thus possible, for example, for the operator, in order to be able to reach a specific position quickly, to select a larger scale and then to reduce it for precise work.
Vorzugsweise sind die jeweiligen Komponenten des translatorischen Korrekturterms gleich den entsprechenden Komponenten der kommandierte Änderung der Position des Bezugspunktes mit umgekehrtem Vorzeichen, wenn die entsprechende Komponente der kommandierten Änderung der Position des Bezugspunktes in positiver Richtung der entsprechenden Komponente der Abweichung verläuft, und vorzugsweise sind die jeweiligen Komponenten des translatorischen Korrekturterms gleich Null, wenn die jeweilige Komponente der kommandierten Änderung der Position des Bezugspunktes in negativer Richtung der entsprechenden Komponente der Abweichung verläuft.Preferably, the respective components of the translational correction term are equal to the corresponding components of the commanded change in the position of the reference point of opposite sign when the corresponding component of the commanded change in the position of the reference point is in the positive direction of the corresponding component of the deviation, and preferably the respective components of the translational correction term equals zero when the respective component of the commanded change in the position of the reference point is in the negative direction of the corresponding component of the deviation.
In einem kartesischen Koordinatensystem kann der translatorische Korrekturterm beispielsweise in seinen einzelnen Komponenten i ∊ {x, y, z} bezogen auf die kommandierte Änderung der Position des Eingabepunktes wie folgt bestimmt werden: In a Cartesian coordinate system, the translatory correction term For example, in its individual components i ε {x, y, z} with respect to the commanded change in the position of the input point be determined as follows:
Gemäß der beispielhaften Formel wird eine kommandierte Bewegung des Bezugspunktes des Manipulators solange durch den Korrekturterm kompensiert, bis die Abweichung synchronisiert ist, wenn die kommandierte Bewegung des Eingabepunktes der Eingabevorrichtung in positiver Richtung der Abweichung verläuft. Verläuft die kommandierte Bewegung des Eingabepunktes in negativer Richtung der Abweichung, so ist der Korrekturterm in dieser Komponente gleich Null und die Abweichung wird nicht verringert. Somit kann ein einfaches, robustes und effizientes Synchronisationsverfahren für die Translation geschaffen werden. Da der Bezugspunkt des Manipulators in diesem Fall nicht oder gemäß der kommandierten Bewegung bewegt wird, sind diese Bestimmung des Korrekturterms und die resultierende Bewegung des Manipulators sicher.According to the exemplary formula, a commanded movement of the reference point of the manipulator is compensated by the correction term until the deviation is synchronized when the commanded movement of the input point of the input device is in the positive direction of the deviation. If the commanded movement of the input point runs in the negative direction of the deviation, then the correction term in this component is equal to zero and the deviation is not reduced. Thus, a simple, robust and efficient synchronization method for the translation can be created. Since the reference point of the manipulator is not moved in this case or according to the commanded movement, this determination of the correction term and the resulting movement of the manipulator are safe.
Vorzugsweise ist die neuen Orientierung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators, gemäß der neuen Pose des Manipulators, das Matrixprodukt der ursprünglichen Orientierung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators zum Zeitpunkt tk, gemäß der ursprünglichen Pose des Manipulators, des rotatorischen Korrekturterms und der kommandierte Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators. Somit ergibt sich die neue Orientierung des Ausgabekoordinatensystems beispielsweise zu: Preferably, the new orientation the output coordinate system of the manipulator, according to the new pose of the manipulator, the matrix product of the original orientation the output coordinate system of the manipulator at time t k , according to the original pose of the manipulator, the rotational correction term and the commanded change of orientation the output coordinate system of the manipulator. This results in the new orientation of the output coordinate system for example:
Die Berücksichtigung der kommandierten Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems ermöglicht die Einbeziehung von Skalierungsfaktoren in die Synchronisation. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn sich der Skalierungsfaktor „f” während des Bedienens des Manipulatorsystems, wie oben beschrieben, ändern kann. The consideration of the commanded change of the orientation of the output coordinate system allows the inclusion of scaling factors in the synchronization. This is particularly advantageous if the scaling factor "f" can change during operation of the manipulator system as described above.
Vorzugsweise sind die jeweiligen Drehwinkel des rotatorischen Korrekturterms um die Koordinatenachsen eines Bezugskoordinatensystems, gleich den jeweiligen Drehwinkeln der kommandierte Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators mit umgekehrtem Drehsinn, wenn die entsprechenden Drehwinkel der kommandierten Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems den gleichen Drehsinn des entsprechenden Drehwinkels der Abweichung Rr aufweisen, und vorzugsweise sind die jeweiligen Drehwinkel des rotatorischen Korrekturterms gleich null, wenn die entsprechenden Drehwinkel der kommandierten Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems den entgegengesetzten Drehsinn des entsprechenden Drehwinkels der Abweichung Rr aufweisen.Preferably, the respective rotational angles of the rotational correction term around the coordinate axes of a reference coordinate system, equal to the respective rotation angles of the commanded change the orientation of the output coordinate system of the manipulator with reverse rotation when the corresponding rotation angle of the commanded change the orientation of the output coordinate system have the same direction of rotation of the corresponding rotation angle of the deviation R r , and preferably, the respective rotation angle of the rotational correction term equal to zero, if the corresponding rotation angle of the commanded change the orientation of the output coordinate system have the opposite direction of rotation of the corresponding rotation angle of the deviation R r .
Analog zur beispielhaften Bestimmung des translatorischen Korrekturterms, wird vorzugsweise bei der Bestimmung des rotatorischen Korrekturterms eine kommandierte Bewegung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators solange durch den Korrekturterm kompensiert, bis die Abweichung eliminiert ist, wenn die kommandierte Bewegung des Eingabekoordinatensystems des Eingabepunktes im Drehsinn der Abweichung verläuft. Verläuft die kommandierte Bewegung des Eingabekoordinatensystems des Eingabepunktes entgegen des Drehsinns der Abweichung, so ist der Korrekturterm in dieser Komponente gleich Null und die Abweichung wird nicht verringert. Somit kann ein einfaches, robustes und effizientes Synchronisationsverfahren für die Rotation geschaffen werden. Da das Ausgabekoordinatensystem des Manipulators in diesem Fall nicht oder gemäß der kommandierten Bewegung bewegt wird, sind diese Bestimmungen des Korrekturterms und die resultierende Bewegung des Manipulators sicher.Analogously to the exemplary determination of the translatory correction term, in the determination of the rotational correction term, a commanded movement of the output coordinate system of the manipulator is compensated by the correction term until the deviation is eliminated when the commanded movement of the input coordinate system of the input point is in the direction of rotation of the deviation. If the commanded movement of the input coordinate system of the input point runs contrary to the direction of rotation of the deviation, the correction term in this component is equal to zero and the deviation is not reduced. Thus, a simple, robust and efficient synchronization method for the rotation can be created. Since the output coordinate system of the manipulator is not moved in this case or according to the commanded movement, these determinations of the correction term and the resulting movement of the manipulator are safe.
Vorzugsweise wird der resultierende Drehwinkel des rotatorischen Korrekturterms derart skaliert, dass der Drehwinkel φΔ der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators in die zuvor bestimmte, neue Orientierung kleiner oder gleich dem Drehwinkel der kommandierten Änderung der Orientierung des Ausgabekoordinatensystems ist, d. h. Somit kann sichergestellt werden, dass die tatsächlich ausgeführte Drehung bei der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems des Manipulators in die neue Orientierung nicht größer ist, als die kommandierte Änderung der Orientierung, d. h. als der kommandierte Winkel des Ausgabekoordinatensystems. So kann beispielsweise vermieden werden, dass der Drehwinkel der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems umschlägt, und so die Abweichung entgegen des ursprünglichen kommandierten Drehsinns synchronisiert. Folglich kann mit der Skalierung des Drehwinkels der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems ein sicheres Synchronisationsverfahren bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen, wie beispielsweise der minimal invasiven Chirurgie, vorteilhaft.Preferably, the resulting angle of rotation becomes of the rotational correction term scaled such that the rotation angle φ Δ of the movement of the output coordinate system of the manipulator in the previously determined, new orientation less than or equal to the angle of rotation the commanded change the orientation of the output coordinate system, ie Thus, it can be ensured that the actual rotation performed during the movement of the output coordinate system of the manipulator into the new orientation is not greater than the commanded change of the orientation, ie as the commanded angle of the output coordinate system. For example, it can be avoided that the rotation angle of the movement of the output coordinate system turns over, and thus synchronized the deviation against the original commanded sense of rotation. Consequently, with the scaling of the rotation angle of the movement of the output coordinate system, a secure synchronization method can be provided. This is particularly advantageous in safety-critical applications, such as minimally invasive surgery.
Vorzugsweise wird der Korrekturterm gemäß der nachstehenden Formel bestimmt: wobei die Matrizen Rotationsmatrizen sind, die einer um den Faktor m skalierten Rotation um die Rotationsachen entsprechen, wobei die Matrizen einen Drehwinkel aufweisen und wobei der Drehwinkel sich zu berechnet, wobei der Drehwinkel der kommandierten Änderung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems der Eingabevorrichtung ist, und der Drehwinkel φ ~r sich zu
Die beschriebene Berechnung stellt sicher, dass die tatsächlich ausgeführte Drehung bei der Bewegung des Ausgabekoordinatensystems in die neue Orientierung nicht größer ist, als die kommandierte Änderung der Orientierung. Die Berechnung des rotatorischen Korrekturterms in der Rotationsmatrix-Darstellung ist vorteilhaft, da diese Berechnung schnell durchgeführt werden kann, wodurch Rechenzeit und Rechenkapazität eingespart werden können. Dies ist insbesondere für Echtzeit-Anforderungen vorteilhaft. The described calculation ensures that the actual rotation performed when the output coordinate system moves to the new orientation is not greater than the commanded change in orientation. The calculation of the rotational correction term in the rotation matrix representation is advantageous because this calculation can be carried out quickly, whereby computing time and computing capacity can be saved. This is particularly advantageous for real-time requirements.
Vorzugsweise ist der Bezugspunkt der Tool Center Point (TCP) des Manipulators. Die Wahl des TCP als Bezugspunkt des Manipulators ermöglicht eine einfache Konvertierung der kommandierten Änderungen des Eingabepunktes, da die Pose des Endeffektors des Manipulators über den TCP beschrieben wird. Der TCP ist ein gedachter Referenzpunkt, der sich an geeigneter Stelle am Endeffektor des Manipulators befindet und typischerweise das Tool- oder Werkzeugkoordinatensystem definiert. Um zu beschreiben, welche Pose der Endeffektor einnehmen soll, genügt es, die Position des TCP und die Orientierung eines, dem TCP zugeordneten, Koordinatensystems im Raum zu definieren. Sind Bezugspunkt und TCP identisch, entfallen weitere Umrechnungen der Pose in andere Koordinatensysteme, um den Manipulator, respektive den Endeffektor mittels der Eingabevorrichtung zu steuern.Preferably, the reference point is the tool center point (TCP) of the manipulator. The choice of the TCP as the reference point of the manipulator allows a simple conversion of the commanded changes of the input point, since the pose of the end effector of the manipulator is described via the TCP. The TCP is an imaginary reference point that is located at a suitable location on the end effector of the manipulator and typically defines the tool or tool coordinate system. To describe which pose the end effector should occupy, it is sufficient to define the position of the TCP and the orientation of a coordinate system assigned to the TCP in space. If the reference point and TCP are identical, further conversions of the pose to other coordinate systems are unnecessary in order to control the manipulator or the end effector by means of the input device.
Insbesondere werden die oben genannten Aufgaben auch gelöst durch ein Manipulatorsystem umfassend zumindest einen Manipulator und eine mit dem Manipulator verbundene Eingabevorrichtung, wobei das Manipulatorsystem dazu eingerichtet ist ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen. Vorzugsweise umfasst das Manipulatorsystem eine Anzeigevorrichtung, wobei die Anzeigevorrichtung dazu eingerichtet ist, eine Änderung der Pose des Manipulators anzuzeigen.In particular, the abovementioned objects are also achieved by a manipulator system comprising at least one manipulator and an input device connected to the manipulator, wherein the manipulator system is configured to carry out a method according to the
Die Anzeigevorrichtung ermöglicht eine Rückmeldung der Pose des Manipulators an den Bediener. Ist die Skalierung so klein gewählt, dass eine direkte visuelle Rückmeldung nicht möglich ist, kann die Anzeigevorrichtung die Rückmeldung entsprechend skalieren. Ebenso ermöglich die Anzeigevorrichtung eine visuelle Rückmeldung auch wenn Eingabevorrichtung und Manipulator räumlich getrennt sind. Eine solche Anzeigevorrichtung kann ein Display umfassen, auf welchem zumindest ein Teil des Manipulators, insbesondere der Bezugspunkt und/oder das Ausgabekoordinatensystem des Manipulators abgebildet wird. Die Abbildung des Bezugspunkts des Manipulators kann eine schematische Darstellung umfassen oder auf realen Bilddaten beruhen. Andere Rückmeldungssysteme, wie beispielsweise eine haptische Rückmeldung sind ebenfalls vorstellbar.The display device allows a feedback of the pose of the manipulator to the operator. If the scaling chosen so small that a direct visual feedback is not possible, the display device can scale the feedback accordingly. Likewise, the display device allows visual feedback even when the input device and manipulator are spatially separated. Such a display device may comprise a display on which at least a part of the manipulator, in particular the reference point and / or the output coordinate system of the manipulator is imaged. The image of the reference point of the manipulator may comprise a schematic representation or be based on real image data. Other feedback systems, such as haptic feedback, are also conceivable.
4. Beschreibung der Figuren4. Description of the figures
im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt:In the following, preferred embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the figures. Showing:
Die
Wie in
Die
Dabei zeigt
Wie in
Die
Wie in
Die
Wie in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Manipulatorsystemmanipulator system
- 1010
- Verfahrenmethod
- 1111
- Prüfen, ob Abweichung vorliegtCheck for deviation
- 1212
- Bestimmen der AbweichungDetermine the deviation
- 1313
- Erfassen einer kommandierten ÄnderungCapture a commanded change
- 1414
- Richtungsprüfungcheck the direction
- 1515
- Bestimmen eines KorrekturtermsDetermining a correction term
- 1616
- Bestimmen einer neuen Pose des BezugspunktesDetermine a new pose of the reference point
- 1717
- Bewegen des BezugspunktesMoving the reference point
- 100100
- Manipulatormanipulator
- 110110
- Bezugspunkt des ManipulatorsReference point of the manipulator
- 110k110k
- Ausgabekoordinatensystems des BezugspunktesOutput coordinate system of the reference point
- 111111
- Bewegungsbahn des ManipulatorsTrajectory of the manipulator
- 200200
- Eingabevorrichtunginput device
- 210210
- Eingabepunkt der EingabevorrichtungInput point of the input device
- 210k210k
- Eingabekoordinatensystem des EingabepunktesInput coordinate system of the input point
- 211211
- Pfeil, AbweichungArrow, deviation
- 300300
- Anzeigevorrichtungdisplay device
- 310310
- Kameracamera
- pr, Rr p r , R r
- Abweichung (Position, Orientierung)Deviation (position, orientation)
- pMΔ, RMΔ p MΔ , R MΔ
- Kommandierte Änderung der Pose des EingabepunktesCommanded change of the pose of the entry point
- pSΔ, RSΔ p SΔ , R SΔ
- Kommandierte Änderung der Pose des BezugspunktesCommanded change of the pose of the reference point
- prΔ, RrΔ p rΔ , R rΔ
- Korrekturterm (Position, Orientierung)Correction term (position, orientation)
- ps,k, Rs,k p s, k , R s, k
- Ursprüngliche Pose des BezugspunktesOriginal pose of the reference point
- ps,k+1, Rs,k+1 p s, k + 1 , R s, k + 1
- Neue Pose des BezugspunktesNew pose of the reference point
- tk t k
- Erster ZeitpunktFirst time
- tk+1; t'k+1 tk + 1 ; t'k + 1
- Zweiter ZeitpunktSecond time
- ff
- Skalierungsfaktorscaling factor
- φrΔ φ rΔ
- Drehwinkel des KorrekturtermsRotation angle of the correction term
- φΔ φ Δ
- Drehwinkel der BewegungRotation angle of movement
- φsΔ φsΔ
- Drehwinkel der kommandierten Änderung der OrientierungAngle of rotation of the commanded change of orientation
- er, eMΔ e r , e MΔ
- Rotationsachsenrotational axes
- mm
- Faktorfactor
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015209773.0A DE102015209773B3 (en) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | A method for continuously synchronizing a pose of a manipulator and an input device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015209773.0A DE102015209773B3 (en) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | A method for continuously synchronizing a pose of a manipulator and an input device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102015209773B3 true DE102015209773B3 (en) | 2016-06-16 |
Family
ID=56082632
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---|---|---|---|
DE102015209773.0A Active DE102015209773B3 (en) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | A method for continuously synchronizing a pose of a manipulator and an input device |
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Country | Link |
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