DE102016105682A1

DE102016105682A1 - Geregeltes haptisches System und Verfahren zur Darstellung von Kontaktkräften

Info

Publication number: DE102016105682A1
Application number: DE102016105682.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Opitz; Nataliya Stefanova
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2017-10-05

Abstract

In der vorliegenden Erfindung wird ein geregeltes haptisches System sowie ein Verfahren zum Betreiben eines geregelten haptischen Systems bereitgestellt. Die Erfindung umfasst das Messen einer Kontaktkraft mithilfe eines ersten Kraftsensors und dem anschließenden Erzeugen eines ersten Kraftsignals, welches optional verstärkt werden kann, und an eine Regelungseinheit gesendet wird, welche daraufhin einen Aktuator regelt, um eine skalierte Kraft an einer haptischen Bedieneinheit zu erzeugen, die der gemessenen Kontaktkraft entgegenwirkt. Anschließend wird eine zweite Kontaktkraft, die durch den Benutzer an der besagten Bedieneinheit aufgebracht wird, mittels eines zweiten Kraftsensors, der sich an der besagten Bedieneinheit befindet, gemessen und ein zweites Signal an die Regelungseinheit gesendet mit welchem die Regelungseinheit eine entsprechende Regelabweichung feststellen kann und den Aktuator regelt, um eine modifizierte Kraft an der Bedieneinheit darzustellen. Dadurch lassen sich die parasitären Kräften der kinematischen Einheit kompensieren und ein gereinigtes haptisches Bedienerlebnis an der Bedieneinheit erzeugen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein haptisches Verfahren und ein entsprechendes System und insbesondere ein geregeltes haptisches Verfahren zur extrakorporalen Darstellung von Kontaktkräften sowie eine dazugehörige Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Hintergrund der Erfindung
In der modernen Medizin werden immer neue Verfahren zur Gefäßuntersuchung, insbesondere im Bereich der Herzkatheterisierung, entwickelt. Hier sind die sogenannten minimalinvasiven Verfahren von großem Interesse, da die Untersuchung/Operation hier minimalinvasiv d.h. durch eine sehr kleine Öffnung durchgeführt wird. Für den operierenden Arzt besteht bei dieser Art der Untersuchung/Operation eine enorme Herausforderung, da er das chirurgische Werkzeug durch das Gefäßsystem lenken muss. Um dem Chirurg die Navigation mit dem Werkzeug zu ermöglichen, sind Sensoren notwendig. Hier bietet sich z.B. eine Röntgenaufnahme mit einem radioaktiven Kontrastmittel an, was jedoch den Nachteil der Strahlenbelastung für den Patienten und den Arzt mit sich bringt. Alternativ kann, wie im Folgenden beschrieben, auch ein Kraftsensor verwendet werden, was in einem haptischen System resultiert.
Haptische Systeme werden im Bereich der Medizin insbesondere in Form von sogenannten Master/Slave Anordnung verwendet. Dabei steuert der Bediener direkt über eine haptische Bedienungseinheit eine Master-Einheit, welche die Slave-Einheit, an der das Werkzeug befestigt ist steuert.
In der amerikanischen Veröffentlichung US 2010/139436 A wird ein relativ kompaktes Manipulationssystem zur Anwendung im Bereich der Chirurgie beschrieben, das auf einer klassischen Master/Slave Anordnung beruht. Dabei existiert eine Mastereinheit, die eine elektrisch getriebene Geschwindigkeitskontrolle besitzt, und eine Slave-Einheit, die eine pneumatisch getriebene Kraftkontrolle besitzt. Eine Kraft, die dabei auf die Spitze der Slave-Einheit einwirkt, kann gemessen werden und danach in die Master-Einheit als Feedback eingespeist werden. Insbesondere wird aber bei dieser Erfindung die Spitze der Slave-Einheit mithilfe der Master-Einheit gesteuert.
In der amerikanischen Patentanmeldung US 2015/0011830A wird ein Endoskop vorgestellt, welches eine motorisierte Gruppe besitzt, um das distale Ende des Endoskops zu kontrollieren. Das genannte System reduziert dabei die Kraft, welche benötigt wird, um das distale Ende des Endoskops zu kontrollieren, um so das Risiko einer Perforation zu mindern. Insbesondere besteht bei der genannten Erfindung die Möglichkeit, dem Benutzer mithilfe eines haptischen Feedback-Systems eine tastbare Rückantwort zu geben.
Zusätzlich zu den zuvor genannten haptischen Systemen in Form von Master/Slave Anordnungen sind insbesondere auch haptische Systeme in Form eines sogenannten Co-Manipulator-Systems von großem praktischen Interesse. Bei einem solchen System steuert der Bediener eine haptische Bedienungseinheit, welche in unmittelbarer mechanischer Verbindung zu einer kinematischen Einheit steht, die gegebenenfals mit einem Aktuator und einer Vielzahl von Sensoren versehen sein kann, und auch verschiedene Werkzeuge steuern kann.
In der amerikanischen Anmeldung US 2012/0041436 A wird ein Co-Manipulator-System, das ein laparoskopisches Werkzeug umfasst, beschrieben. Dieses System wird zur Anwendung im Bereich der minimalinvasiven inneren Chirurgie benutzt und kann insbesondere zum Aufwärmen, Abätzen, Verschließen und Abtrennen von Gewebe verwendet werden. Das System beinhaltet insbesondere ein haptisches Feedbacksystem, das beim Benutzer ein haptisches Feedback erzeugt, und den Benutzer dadurch auf Veränderungen der Gewebeeigenschaften aufmerksam macht, um ihm z.B. zu zeigen, wenn eine Anwendung abgeschlossen ist, oder ihm zusätzliche Informationen über den Operationsstatus zu liefern.
In der amerikanischen Anmeldung US2005/0219206 A wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle tastbarer Empfindungen an einem haptischen Feedback System bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine haptische Bedieneinheit, welche insbesondere eine rotierbare exzentrische Masse beinhaltet. Im Betrieb wird ein Antriebsignal erzeugt, welches einen Aktuator dazu veranlasst, die Masse in zwei Richtungen zum Schwingen zu bringen, was eine Vibration an der haptischen Bedieneinheit auslöst.
Die bisher beschriebenen haptischen Systeme haben große Nachteile. Bei den Master/Slave Anordnungen bestehen hier gleich mehrere Nachteile, in der Form, dass diese Anordnungen groß, teuer und schwer in der Bedienung sind. Bei sogenannten Co-Manipulator-Anordnungen, bei denen das komplette System aus einer Grundkomponente besteht, ergibt sich hingegen der Nachteil, dass hier sehr hohe Kräfte durch die jeweilige kinematische Einheit entstehen. In den existierenden Erfindungen liegen bisher nur Co-Manipulator-Anordnungen vor, die lediglich gesteuert, nicht aber geregelt sind.
Überblick über die Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin ein geregeltes haptisches System, das z.B. in Form einer Co-Manipulator-Einheit, wie sie zum Beispiel im Bereich der Herzkathetisierung verwendet wird, und ein dazugehöriges Verfahren bereitzustellen. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen.
Gemäß der Erfindung wird zunächst eine erste Kontaktkraft zwischen einer kinetischen Einheit (z.B. Draht, Katheter) und dem zu untersuchenden Gewebe mittels eines, an der kinetischen Einheit angebrachten, ersten Kraftsensors gemessen und ein erstes Signal, welches optional verstärkt werden kann, an eine Regelungseinheit gesendet. Es ist zu beachten, dass die Vorrichtung und das Verfahren, nicht auf die Anordnung im Körper beschränkt sind. Anwendungen im Automobilbereich, Maschinenbau etc. sind ebenfalls denkbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Ansprüche beschrieben.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst das geregelte haptische System einen minimalen Aufbau bestehend aus einer kinematischen Einheit, einer Bedieneinheit, einem Aktuator, einer Regelungseinheit und zwei Kraftsensoren, wobei der erste Kraftsensor an der kinematischen Einheit angebracht ist und der zweite Kraftsensor an der Bedieneinheit angebracht ist. Mithilfe des ersten Kraftsensors wird die Kraft F_E, auch Kontaktkraft genannt, die zwischen dem zu untersuchenden Gewebe und dem genannten ersten Kraftsensor besteht, gemessen. Anschließend wird ein erstes Kraftsignal erzeugt, welches an die Regelungseinheit gesendet wird und dieser zunächst als Führungssignal dient. Mithilfe des genannten Führungssignals regelt die Regelungseinheit den Aktuator, um eine skalierte Kraft F_out an einer Bedieneinheit 20 auszugeben, die der ursprünglichen Kontaktkraft F_E entgegenwirkt. Bis zu diesem Zeitpunkt entspricht das System einem herkömmlichen impedanz-gesteuerten haptischen System. Im Folgenden wird nun mithilfe eines zweiten Kraftsensors, der sich an der Bedieneinheit befindet die Nutzerkraft F_H, welche der Nutzer an der Bedieneinheit aufbringt, gemessen und ein zweites Kraftsignal erzeugt, welches als Feedback in die Regelungseinheit zurückgeführt wird. Hierüber lässt sich die Regelabweichung bestimmen, welche sich als Differenz des ersten Kraftsignals und des zweiten Kraftsignals ergibt. Die Regelungseinheit gibt nun ein Reglungssignal an den Aktuator aus, welcher ein Stellsignal – erzeugt und dies an die Bedieneinheit übermittelt, an der eine modifizierte Ausgabekraft erzeugt wird.
Die zuvor beschriebenen Kraftsensoren umfassen vorzugsweise einen Verformungskörper, ein Meßelement und eine Primärelektronik. Hierbei bewirkt die angewandte, bzw. die zu messende, Kraft eine mechanische Verformung des Verformungskörpers, also eine Dehnung oder Stauchung, welche mithilfe verschiedener Meßprinzipien gemessen werden kann. Insbesondere bieten sich hier das optische, das kapazitive und das resistive Meßprinzip an. Beim optischen Meßprinzip wird die Verformung des Verformungskörpers mithilfe eines Lasers gemessen. Beim kapazitiven Prinzip wird die Verformung des Verformungskörpers mithilfe einer Kapazitätsmessung zweier Kondensatorplatten, die auf dem Verformungskörper angebracht sind, gemessen. Beim resistiven Meßprinzip wird die Verformung des Verformungskörpers mithilfe von Dehnungsmeßstreifen (DMS), z.B. von resistiven oder piezoresistiven Dehnungsmeßstreifen, die auf dem Verformungskörper angebracht werden, gemessen. Mithilfe der Primärelektronik wird die Messung danach ausgewertet und ein entsprechendes Signal erzeugt. Ausschlaggebend für die Auswahl des jeweiligen Kraftsensor ist die jeweilige Anwendung. Hier spielt zum Einen die Größe des Sensors eine wichtige Rolle und zum Anderen die Genauigkeit mit der die jeweilige Kraft gemessen werden muss. In den meisten Fällen sind kleine Kraftsensoren bevorzugt, die sehr präzise kleine Kräfte messen können. Hier bieten sich insbesondere resistive und piezoresistive Sensoren an. Im Gegensatz zu dem ersten Kraftsensor der an der kinetischen Einheit vorliegt, sollte der zweite Kraftsensor in die Bedienungseinheit eingearbeitet werden. Wenn die Bedienungseinheit als Zylinder vorliegt, d.h. als so genannter Torquer, wird der zweite Kraftsensor in diesem Torus angebracht.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst das zuvor genannte geregelte haptische System des Weiteren eine Verstärkungseinheit, die dazu dient, das erste Kraftsignal, welches an der kinetischen Einheit gemessen wurde, zu einem verstärkten Kraftsignal zu verstärken. In verschiedenen Anwendungen, insbesondere im medizinischen Bereich, ist die gemessene Kontaktkraft F_E sehr gering. Daher ist es in solchen Fällen durchaus von Nutzen, das durch den Kraftsensor erzeugte Kraftsignal zu verstärken, um zum Einen an der Bedienungseinheit eine spürbare Gegenkraft F_out zu erzeugen und zum Anderen ein verstärktes Kraftsignal zur Einspeisung in die Regelung zu erhalten.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst das geregelte haptische System einen Aktuator, der aus einem Rollengetriebe besteht. Die Rollen werden hierbei verwendet, um die kinematische Einheit anzutreiben. Dabei wird die kinematische Einheit zunächst zwischen den Rollen, die mit einer haftenden Oberfläche belegt sind, gelagert. Danach werden die Rollen durch eine motorische Einheit angetrieben und bewegen damit den Draht. Verschiedene Ausführungsbeispiele beinhalten Rollensysteme mit verschiedener Anzahl von Rollen, wobei jedoch mindestens zwei Rollen benötigt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform beinhaltet ein Rollensystem mit drei Rollen, durch welche ein sehr gutes Verhältnis zwischen Griffigkeit und Gewicht des Rollensystems gewährleistet wird. Weitere Ausführungsformen mit zum Teil komplizierteren Rollensystemen, auf die wahlweise noch zusätzliche Beschichtungen aufgebracht werden können, sind möglich.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst das geregelte haptischen System eine Regelung, die ausgebildet ist, um den Aktuator dahingehend zu regeln, dass die mechanischen Verluste der kinematischen Einheit kompensiert werden. Da sich die kinematischen Einheit im Normalfall zumindest teilweise in dem zu untersuchenden Körper befindet, erfährt die kinematische Einheit mechanische Reibungskräfte. Diese Reibungskräfte sind in vielen Fällen größer als die Kräfte, die mithilfe der Erfindung eigentlich gemessen werden sollen. Für den Benutzer, insbesondere den medizinischen Benutzer, sind solche Kräfte natürlich in höchstem Grade unerwünscht, da sie das Tasterlebnis verfälschen. Mit anderen Worten spürt der Benutzer nicht mehr die eigentliche Kontaktkraft F_E, sondern zusätzlich noch parasitäre Reibungskräfte durch das haptische System. Durch die vorteilhafte Anordnung der mindestens zwei Kraftsensoren (es sind auch mehr denkbar) an der zu untersuchenden Stelle und der Bedieneinheit lassen sich nun zwei Kraftsignale erzeugen, wobei in der Regelungseinheit deren Differenz bestimmt werden kann. Über diese Differenzbildung ist es möglich, das Ausmaß der parasitären Kraft zu bestimmen und diese mithilfe des Aktuators an der Bedieneinheit abzuziehen.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst das geregelte haptischen System eine Regelung, die ausgebildet ist, um den Aktuator dahingehend zu regeln, zusätzlich eine verstärkende Kraft auf die kinematische Einheit wirken zu lassen. Diese Anwendung ist insbesondere von Bedeutung, wenn die kinematische Einheit dazu verwendet werden soll, eine Barriere, wie zum Beispiel eine Verhärtung, zu durchbrechen oder eine anderweitige Manipulation durchzuführen. Die beschriebene Ausführung kann zusätzlich zu der in der vorherigen Ausführung beschriebenen Kompensationsanwendung durchgeführt werden oder aber auch getrennt von dieser als reine Kraftverstärkungsanwendung benutzt werden.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst das geregelte haptische System eine Regelungseinheit, die ausgebildet ist, um bei zu hoher Kraftaufwendung an der Bedieneinheit eine Kraftabbremsung an der kinematischen Einheit zu erzeugen. Im Falle eines haptischen Systems im medizinischen Bereich kann es vorkommen, dass ein Benutzer eine unverhältnismäßig große Kraft an der Bedieneinheit aufbringt, welche, wenn sie weitergeleitet würde, erheblichen Schaden am Gewebe hervorrufen würde. Um solche irreparablen Schäden zu verhindern, kann die Regelungseinheit beim Erkennen einer solchen übertriebenen Kraft den Aktuator Regeln, um eine Kraftabbremsung vorzunehmen. Dabei wird die kinematische Einheit aktiv durch den Aktuator gebremst.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst das haptische System eine kinematische Einheit, die als Führungsdraht oder Katheter ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ist vor allem im medizinischen Bereich zu finden. Im Falle eines Führungsdrahtes wird dieser meistens zum Abtasten des intrakorporalen Gewebes genutzt, wobei der erste Kraftsensor meistens an der Spitze der kinematischen Einheit angeordnet ist. Im Falle eines Katheters als kinematische Einheit kann dieser zusätzlich zum Durchführen von verschiedenen Werkzeugen, zum Beispiel Skalpellen oder Heizdrähten, verwendet werden.
In einer möglichen Ausführungsform ist das geregelte haptische System als ein Co-Manipulator-System ausgebildet, wie es zur Erfassung von Interaktionskräften bei Herzkatheterbehandlungen verwendet wird. In dieser Ausführungsform muss eine geeignete kinetische Einheit vorhanden sein. Hier bietet sich zum Beispiel die zuvor beschriebene Ausführungsform der kinetischen Einheit in Form eines Führungsdrahtes oder eines Katheters an. Mithilfe des Co-Manipulator-Systems werden im Laufe der Anwendung die verschiedenen zu untersuchenden Gefäßsysteme abgetastet und gegebenenfalls manipuliert. Aufgrund der Möglichkeit der Kompensation von parasitären Reibungskräften, wie sie in einer der vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurde, eignet sich das geregelte haptische Co-Manipulator-System besonders gut zur Benutzung im medizinischen Bereich, da hier relativ geringe Kräfte auftreten, welche mit dem genannten System optimal an der Bedienungseinheit dargestellt werden können. Zusätzlich bieten sich aber in der Anwendung als Co-Manipulator-System auch eine Kombination mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit einer Kraftverstärkung und/oder mit der Ausführungsform mit einer Kraftabschwächung an.
In einer möglichen Anwendungsform ist das geregelte haptische System als ein Lenkungssystem ausgebildet. Das geregelte haptische System kann hier zur geregelten Steuerung eines Automobils oder eines Flugzeugs verwendet werden. Im Falle eines Automobils, insbesondere eines Sportwagens, wird ein erstes Kraftsignal im Bereich der Reifen oder der Verbindung der Räder mit der Lenkung gemessen, welches als Führungsgröße an das Lenkrad, oder die Lenkkonsole gesendet wird, um dort zunächst eine Gegenkraft zu erzeugen. Am Lenkrad wird ein zweites Kraftsignal gemessen, mithilfe dessen die Regelung dann eine Regelabweichung bestimmen kann. Unter Verwendung eines Aktuators, der mit dem Lenkrad verbunden ist und dieses antreibt, kann nun die Kraft, die am Lenkrad ausgegeben wird, geregelt werden. Auch in diesem Fall ist eine Kombination mit den vorherigen Ausführungsformen möglich. So kann die Regelung zum Beispiel bewirken, dass die parasitären Kräfte der Lenkung kompensiert werden, sodass der Benutzer direkt die Kraft spürt, die zwischen der Straße und dem Automobil wirkt, oder es kann eine Verstärkung oder Abschwächung der Lenkung im Sinne einer konventionellen Servolenkung erfolgen.
In einer möglichen Ausführungsform liegt ein Verfahren zur Regelung eines haptischen Systems, so wie es in einem der vorherigen Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, vor. Das Verfahren beinhaltet insgesamt sieben Schritte:

– zunächst wird in einem ersten Messschritt die Kontaktkraft F_E am ersten Kraftsensor gemessen und ein erstes Kraftsignal erzeugt;
– das so erzeugte Signal wird im Folgenden an die Regelungseinheit übersendet und dient dort als Führungssignal;
– mithilfe des Führungssignals wird über den Aktuator eine Gegenkraft an der Bedieneinheit erzeugt, die der ursprünglich gemessenen Kraft entgegenwirkt;
– in einem zweiten Messschritt wird nun zusätzlich die Nutzerkraft F_H, die der Benutzer an einem zweiten Kraftsensor an der Bedieneinheit aufbringt, gemessen und ein zweites Kraftsignal erzeugt;
– dieses zweite Kraftsignal wird auch an die Regelungseinheit übermittelt, die nun mithilfe der zwei Kraftsignale eine Regelungsabweichung ermitteln kann;
– in einem weiteren Schritt erzeugt nun die Regelungseinheit zunächst ein Regelungssignal, auf der Basis der Regelungsabweichung, sowie ein Stellsignal;
– das Stellsignal wird an den Aktuator übermittelt, der nun eine korrigierte Ausgabekraft an der Bedieneinheit ausgibt.

Das Verfahren ist hierbei vorzugsweise unterteilt in zwei größere Blöcke. Der erste Block beinhaltet das reine Steuerverhalten. Hier wird ein haptisches Feedback an eine Bedieneinheit ausgegeben. Im zweiten Block kommt nun das für die Erfindung kennzeichnende Regelverhalten hinzu, bei dem das System mithilfe des zweiten Kraftsignals geregelt wird.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens zur Regelung des haptischen Systems können verschiedene Regelverhalten, die voreingestellt sind, angewendet werden. Zum Beispiel kann die Stärke der Regelung verändert werden, was bewirkt, dass die an der Bedieneinheit dargestellte Kraft als sehr groß oder sehr klein dargestellt werden kann.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens zur Regelung des haptischen Systems können die einzelnen Signale sowie die einzelnen Kräfte grafisch an einem Bildschirm angezeigt werden. Dazu können die Kräfte oder der zeitliche Kraftverlauf bzw. die Signale oder der zeitliche Signalverlauf in Form eines Graphen dargestellt werden. Dies ermöglicht eine grafische Auswertung der Kräfte, was nützlich für Prognosen, zum Beispiel während einer Herzkatheterisierung, sein kann. Diese Ausführungsform lässt sich selbstverständlich mit den vorherigen kombinieren. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Regelung des haptischen Systems kann das erste Kraftsignal durch eine Verstärkungseinheit zu einem verstärkten Kraftsignal verstärkt werden. Dieser Verstärkungsschritt ist insbesondere dann von Nutzen, falls die zu untersuchende Kontaktkraft F_E sehr gering ist, wie z.B. im Falle einer Herzkatheterisierung. Selbstverständlich lässt sich diese Ausführungsform mit den vorherigen Ausführungsformen kombinieren.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens zur Regelung des haptischen Systems umfasst der Regelungsschritt, dass die Regelung mithilfe der zwei erhaltenen Kraftsignale und eine Regelabweichung berechnet und diese dahingehend benutzt den Aktuator zu regeln damit dieser die Verluste der kinematischen Einheit kompensiert und somit eine kompensierte Kraft an der Bedieneinheit ausgibt, die keinerlei störende Einflüsse der kinematischen Einheit beinhaltet. Durch diesen Verfahrensschritt wird die Kraft des haptischen Systems gefiltert und der Benutzer erhält ein optimales haptisches Erlebnis an der Bedieneinheit. Die beschriebene Ausführungsform kann mit den vorherigen Ausführungsformen kombiniert werden.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens zur Regelung des haptischen Systems umfasst der Regelungsschritt einen Verstärkungsschritt, der bewirkt, dass die Regelung den Aktuator regelt, um die kinematischen Einheit zusätzlich zu verstärken. Dieser Schritt ist notwendig falls der Benutzer mithilfe der kinematischen Einheit einen Eingriff vornehmen möchte. Dies kann zum Beispiel bei einer Herzkatheterisierung der Fall sein, wenn mithilfe eines Werkzeuges, welches an die kinematischen Einheit angebracht ist, eine Verbreiterung des Katheters, zum Beispiel durch durchstoßen erzielt werden soll.
Auch im Fall einer Lenkung in einem Fahrzeug kann dieser Verstärkungsschritt notwendig sein, um die Lenkkraft bei großem Widerstand zu erhöhen. Die Ausführungsform lässt sich selbstverständlich mit den vorherigen kombinieren.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens zur Regelung des haptischen Systems umfasst der Regelungsschritt einen Dämpfungsschritt, bei dem die Regelungseinheit den Aktuator steuert, um bei zu hoher Kraftaufwendung an der Bedieneinheit die kinematische Einheit abzubremsen. In dieser Ausführungsform wird der Aktuator als Bremseinheit verwendet, um zu hohe Kraftanwendung durch den Benutzer zu kompensieren. Insbesondere kann mit dieser Ausführungsform das Verfahren zur Regelung des haptischen Systems auf den jeweiligen Benutzer angepasst werden. Ein von der Tagesform abhängiges Verhalten, zum Beispiel ein Zittern in der Hand, kann somit kompensiert werden. Kombinationen mit den übrigen Ausführungsformen sind möglich.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens zur Regelung des haptischen Systems wird das Verfahren zur Regelung eines Co-Manipulator-Systems verwendet, das zur Untersuchung von Interaktionskräften bei Herzkatheterbehandlungen verwendet wird. In dieser Ausführungsform liegt bei dem Verfahren vorzugsweise ein Verstärkungsschritt vor. Des Weiteren ist insbesondere eine Kombination mit dem Kompensationsschritt sinnvoll.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens zur Regelung des haptischen Systems wird das Verfahren zur Regelung eines Lenkungssystems verwendet. Das Lenkungssystem kann zum Beispiel zur geregelten Steuerung eines Automobils oder eines Flugzeugs verwendet werden. Im Falle eines Automobils lässt sich diese Ausführungsform mit den vorherigen Ausführungsformen kombinieren. Insbesondere bietet sich hier die Kombination mit einem Verstärkungs- oder einem Dämpfungsschritt an, wodurch das Verfahren einem Verfahren zum Betreiben einer Servolenkung entspricht. Durch eine zusätzliche Kombination mit einem Kompensationsschritt lässt sich das Fahrerlebnis durch ein direktes Tasterlebnis am Lenkrad verbessern. Insbesondere bietet sich dieses Verfahren zum Betreiben eines nicht konventionellen Lenksystems, zum Beispiel mit einem Kontroller oder einem Joystick an, an dem ein verbessertes haptisches Feedback erzeugt werden kann.
Die Regelungseinheit empfängt dieses erste Signal und steuert mithilfe einer Elektronik einen Aktuator, um eine skalierte Kraft an einer haptischen Bedieneinheit zu erzeugen, die der ersten Kontaktkraft entgegenwirkt, um somit ein erstes haptisches Feedback der ersten Kontaktkraft an der besagten Bedieneinheit zu erzeugen.
Anschließend wird eine zweite Kontaktkraft, die durch den Benutzer an der besagten Bedieneinheit aufgebracht wird, mittels eines zweiten Kraftsensors, der sich an der besagten Bedieneinheit befindet, gemessen und ein zweites Signal an die Regelungseinheit gesendet.
Die Regelungseinheit empfängt im Folgenden auch dieses zweite Signal und ermöglicht über eine Rückkopplung, mittels des Aktuators, die Regelung des haptischen Feedbacks. Durch die Verfügbarkeit der beiden Kraftsignale lässt sich die entsprechende Regelabweichung feststellen und eine modifizierte Kraft an der Bedieneinheit darstellen, welche nicht mehr abhängig von den parasitären Kräften der haptischen Bedieneinheit ist.
Der Benutzer kann somit direkt an der Bedieneinheit die Kraft spüren, welche an der Spitze der kinetischen Einheit auf das zu untersuchende Gewebe wirkt, ohne dabei die haptische Einheit selbst zu spüren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden die Figuren kurz beschrieben, auf die die folgende detaillierte Beschreibung Bezug nimmt.
1 zeigt eine schematische Zeichnung eines geregelten haptischen Co-Manipulators gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Zeichnung des Schaltbildes des geregelten haptischen Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein Blockschaltbild des geregelten haptischen Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist ein geregelter haptischer Co-Manipulator in einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Zu sehen ist eine kinematische Einheit 10, an dessen ersten Ende sich ein erster Kraftsensor 100 befindet. Am anderen Ende befindet sich die Bedieneinheit 20, auf der ein zweiter Kraftsensor 200 angebracht ist. In der Mitte der kinematischen Einheit 10 befindet sich der Aktuator 30, welcher direkt mit der kinematischen Einheit 10 verbunden ist und diese bremst oder beschleunigt. Des Weiteren ist der Aktuator 30 mit der Regelungseinheit 50 verbunden, welche über die Verstärkungseinheit 40 mit dem ersten Kraftsensor 100 und direkt mit dem zweiten Kraftsensor 200 verbunden ist.
Durch den oben genannten Aufbau ist es nun für den Benutzer möglich, das geregelte haptische System 1 über die Bedienungseinheit 20 zu bedienen. Der Benutzer kann die kinematische Einheit 10 so bewegen, dass diese gegen das zu untersuchende Gewebe gedrückt wird, was eine Kraft F_E erzeugt, die mit dem ersten Kraftsensor 100 gemessen werden kann. Das Kraftsignal 105 wird daraufhin verstärkt und in die Regelung eingespeist. Durch das Bedienen der kinematischen Einheit 10 erzeugt der Benutzer gleichzeitig eine Kraft F_H an der Bedieneinheit 20, welche über den zweiten Kraftsensor 200 gemessen wird und zur Regelungseinheit 50 übermittelt wird, die daraufhin den Aktuator 30 regelt. Durch den Aktuator 30 wird nun die kinematische Einheit 10 beschleunigt oder abgebremst, damit der Benutzer an der Bedieneinheit 20 genau die Kraft spürt, welche auch an der Spitze der kinematischen Einheit 10 zu spüren ist, d.h. eine Kraft 25, die frei von den internen, parasitären Kräften der kinematischen Einheit ist.
In 2 ist eine schematische Darstellung des geregelten haptischen Verfahrens, das zum Betrieb der geregelten haptischen Vorrichtung 1 verwendet wird, und das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Diese geregelte haptische Vorrichtung 1 wird im Folgenden mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet.
Zunächst wird bei diesem Verfahren eine externe Kraft F_E mithilfe eines ersten Kraftsensors 100, der sich an der Spitze der geregelten haptischen Vorrichtung 1 befindet, gemessen und ein erstes Kraftsignal 105 erzeugt. Das erste Kraftsignal 105 kann optional mithilfe einer Verstärkungseinheit 40, zu einem verstärkten Kraftsignal 45, verstärkt werden. Das somit erhaltene verstärkte Kraftsignal 45 dient nun als Führungsgröße für die Regelungseinheit 50, welche einen Aktuator 30 ansteuert, um eine skalierte Kraft F_out an eine Bedieneinheit 20 auszugeben, die der ursprünglichen Kontaktkraft F_E entgegenwirkt. Bis zu diesem Zeitpunkt entspricht das System einem herkömmlichen impedanzgesteuerten haptischen System. Man kann diesen Schritt daher auch als Steuerungsschritt bezeichnen.
Im nächsten Schritt, dem Regelungsschritt, wird nun mithilfe eines zweiten Kraftsensors 200, der sich an der Bedieneinheit 20 befindet die Nutzerkraft F_H, welche der Nutzer aufbringt, gemessen und ein zweites Kraftsignal 205 erzeugt, welches als Feedback in die Regelungseinheit 50 zurückgeführt wird. Hierüber lässt sich die Regelabweichung 65 bestimmen, welche sich als Differenz des verstärkten ersten Kraftsignals 45 und des zweiten Kraftsignals 205 ergibt. Die Regelungseinheit 50 gibt nun ein Reglungssignal 55 an den Aktuator 30 aus, welche ein Stellsignal 35 erzeugt und an die Bedieneinheit 20 übermittelt, an welcher eine Ausgabekraft 25 erzeugt wird.
Durch die beschriebene Regelung der haptischen Vorrichtung werden nahezu jegliche Einflüsse der kinetischen Einheit 10, die durch das Kraftübertragungsverhalten 11 und das Geschwindigkeitsübertragungsverhalten 12 der kinematischen Einheit herrühren, eliminiert, so dass der Benutzer genau die Kraft an der Bedieneinheit 20 spürt, welche auch an der Spitze der Einheit auftreten. Man spricht daher von einer guten haptischen Transparenz.
3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des geregelten haptischen Systems in einer Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform handelt es sich um ein Co-Manipulator-System, im medizinischen Bereich, das dazu verwendet wird, Gefäßsysteme, insbesondere Herzkathetersysteme, zu untersuchen. Die kinematischen Einheit 10 kann in diesem Fall ein Katheter sein oder ein dünner Führungsdraht, auf dem sich ein erster Kraftsensor 100 befindet. Dieser erste Kraftsensor 100 übermittelt ein erstes Kraftsignal 105 an die Regelungseinheit 50. Des Weiteren misst ein zweiter Kraftsensor 200 ein zweites Kraftsignal 205 und übermittelt dies auch an die Regelungseinheit 50. Die Regelungseinheit 50 ermittelt die Regelabweichung 65 und regelt damit (mithilfe eines Aktuators 30) die Bedieneinheit 20. Der Benutzer, in diesem Fall ein Arzt, kann somit direkt an der extrakorporalen Bedieneinheit 20 des haptischen Co-Manipulators die intrakorporale Kraft spüren, die zwischen der Spitze des Führungsdrahtes und dem Gefäßsystem besteht.
Bezugszeichenliste

1: Geregeltes haptisches System
10: Kinematische Einheit
11: Kraftübertragungsverhalten
12: Geschwindigkeitsübertragungsverhalten
15: Reaktionskraftsignal
20: Bedieneinheit
25: Ausgabekraft
30: Aktuator
35: Stellsignal
40: Verstärkungseinheit
45: Verstärktes Kraftsignal
50: Regelungseinheit
55: Reglungssignal
60: Kombinierte Verarbeitungseinheit
65: Regelabweichung
100: Erster Kraftsensor
105: Erstes Kraftsignal
200: Zweiter Kraftsensor
205: Zweites Kraftsignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/139436 A [0004]
US 2015/0011830 A [0005]
US 2012/0041436 A [0007]
US 2005/0219206 A [0008]

Claims

Geregeltes haptisches System (1), umfassend: eine kinematische Einheit (10), welche einen ersten Kraftsensor (100) aufweist, der ausgebildet ist, um ein erstes Kraftsignal (105) zu erzeugen, eine Bedieneinheit (20) zur Bedienung der kinematischen Einheit (10), wobei die Bedieneinheit und die kinematische Einheit (10) in mechanischer Verbindung stehen, und wobei darzustellende Kräfte an der Bedieneinheit (20) dargestellt werden, einen Aktuator (30) ausgebildet zum positiven oder negativen Beschleunigen der kinematischen Einheit (10), gekennzeichnet dadurch, dass das haptische System mindestens einen zweiten Kraftsensor (200) an der Bedieneinheit aufweist, der ausgebildet ist, um mindestens ein zweites Kraftsignal (205) zu erzeugen, und eine Regelungseinheit (50) umfasst, die mit den mindestens zwei Kraftsensoren (100, 200) verbunden und ausgebildet ist, um mindestens das erste und das zweite Kraftsignal (105, 205) zu empfangen und auszuwerten und basierend darauf den Aktuator (30) zu regeln.
Geregeltes haptisches System nach dem vorherigen Anspruch, des Weiteren umfassend: eine Verstärkungseinheit (40), die ausgebildet ist, um das erste Kraftsignal (105) zu verstärken und ein verstärktes Kraftsignal (45) zu erzeugen.
Geregeltes haptisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator als ein Rollengetriebesystem mit mindestens zwei Rollen ausgebildet ist, um die kinematische Einheit (10) zu beschleunigen.
Geregeltes haptisches System aus einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelung ausgebildet ist, um den Aktuator (30) zu regeln, um die mechanischen Verluste der kinematischen Einheit (10) zu kompensieren.
Geregeltes haptisches System aus einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Regelung ausgebildet ist, um den Aktuator (30) zu regeln, um eine zusätzliche Kraftverstärkung oder Kraftabbremsung an der kinematischen Einheit (10) zu erzeugen.
Geregeltes haptisches System einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kinematische Einheit (10) als ein Führungsdraht oder ein Katheter ausgebildet ist.
Geregeltes haptisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das geregelte haptische System als ein Co-Manipulator-System ausgebildet ist, das zur Untersuchung von Interaktionskräften bei Herzkatheterbehandlungen verwendet wird.
Geregeltes haptisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das geregelte haptische System als ein Lenkungssystem ausgebildet ist, das zur geregelten Steuerung eines Fahrzeuges oder Flugzeuges verwendet wird.
Verfahren zur Regelung des haptischen Systems aus Anspruch 1, umfassend die Schritte: – Messen einer ersten Kraft durch den ersten Kraftsensor (100) und Erzeugen eines ersten Kraftsignals (105); – Übermitteln des ersten Kraftsignals (105) an die Regelungseinheit (50) als Führungssignal; – Steuern des Aktuators durch die Regelungseinheit anhand des Führungssignals, um eine Gegenkraft an der Bedienungseinheit auszugeben, die der ersten Kraft entgegenwirkt; gekennzeichnet durch die Schritte: – Messen einer zweiten Kraft durch den zweiten Kraftsensor (200) und Erzeugen eines zweiten Kraftsignals (205); – Übermitteln des zweiten Kraftsignals an die Regelungseinheit und Ermitteln einer Regelabweichung (65) mithilfe der zwei erhaltenen Kraftsignale in der Regelungseinheit; – Erzeugen eines Regelungssignals (55) auf der Basis der Regelabweichung (65), und eines Stellsignals (35); – Regeln des Aktuators durch das Stellsignal (35) zum Ausgeben einer korrigierten Ausgabekraft (25) an der Bedieneinheit.
Verfahren zur Regelung des haptischen Systems nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, wobei durch die Regelungseinheit verschiedene Regelverhalten voreingestellt werden.
Verfahren zur Regelung des haptischen Systems nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, welches den weiteren Schritt beinhaltet, die einzelnen Signale und/oder die Kräfte grafisch an einem Bildschirm (70) anzuzeigen.
Verfahren zur Regelung des haptischen Systems nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, welches den weiteren Schritt beinhaltet, das erste Kraftsignal (105) durch eine Verstärkungseinheit (40) zu einem verstärkten Kraftsignal (45) zu verstärken.
Verfahren zur Regelung des haptischen Systems nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, welches den weiteren Schritt beinhaltet, den Aktuator (30) durch die Regelung (50) zu regeln, um die mechanischen Verluste der kinematischen Einheit (10) zu kompensieren.
Verfahren zur Regelung des haptischen Systems nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, welches den weiteren Schritt beinhaltet, den Aktuator (30) durch die Regelung (50) zu regeln, um die Kraft an der kinematischen Einheit (10) zusätzlich zu verstärken oder abzubremsen.
Verfahren zur Regelung des haptischen Systems nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, das zum Betrieb eines Co-Manipulator Systems verwendet wird, das zur Untersuchung von Interaktionskräften bei Herzkatheterbehandlungen verwendet wird.
Verfahren zur Regelung des haptischen Systems nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, das zum Betrieb eines Lenkungssystem verwendet wird, das zur geregelten Steuerung eines Automobils oder eines Flugzeugs verwendet wird.