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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen medizinischen Manipulator und ein Verfahren zum Steuern eines medizinischen Manipulators. Der medizinische Manipulator kann zum Beispiel in der robotischen Chirurgie verwendet werden.
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2. Technischer Hintergrund
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Ein medizinischer Manipulator wird beispielsweise in der robotischen Chirurgie für minimalinvasive, chirurgische Eingriffe verwendet. Bei diesen kleineren Eingriffen wird im Vergleich zu herkömmlichen Operationstechniken, der Organismus weniger stark belastet und evtl. zurückbleibende Narben sind nur sehr klein. Mit Hilfe des medizinischen Manipulators können auf engstem Raum im und am menschlichen Körper Eingriffe mit einer sehr hohen Präzision durchgeführt werden. Am Arm eines medizinischen Manipulators kann dabei eine Mehrzahl von Werkzeugen, wie z.B. ein Kamerasystem, ein Skalpell und ein Greifer, angebracht sein. Diese Werkzeuge können beispielsweise mittels Linearachsen über einen Trokar in oder aus dem menschlichen Körper hinein oder heraus bewegt werden.
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Aufgrund der Bewegung der Werkzeuge ändert sich jedoch auch deren Masseverteilung in Bezug auf den Manipulator, wodurch es zu einer ungewollten Abweichung von der Sollpose oder Sollbahn des Werkzeugs kommen kann.
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Bei maschinell gesteuerten Systemen wird eine solche Abweichung über die Minimierung des Schleppfehlers angetriebener mechanischer Elemente, z.B. der oben genannten Linearachsen ausgeglichen. Dabei kommt es jedoch erst einmal zu einem Auftreten der Abweichung, bevor die Manipulatorsteuerung darauf reagieren kann. Das Auftreten solcher Abweichungen beeinträchtigt aber bereits die Präzision des Manipulators und ist somit unerwünscht.
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Bei handgeführten Manipulatoren wird die Änderung der Masseverteilung des Werkzeugs von der Manipulatorsteuerung als eine Kraft interpretiert, die von der Hand des Bedieners ausgeht. Demzufolge muss ein Bediener dann auch dieser Kraft permanent manuell entgegenwirken. Besonders bei langen handgeführten Arbeitsphasen ist dies ergonomisch ungünstig und führt zu einer Ermüdung des Bedieners.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen medizinischen Manipulator und ein Verfahren zum Steuern eines medizinischen Manipulators bereitzustellen, welche die oben genannten Probleme überwinden. Insbesondere sollen die Abweichungen des Werkzeugs von der Sollpose oder Sollbahn verringert werden, um die Präzision des Manipulators zu erhöhen und eine ergonomische Bedienung bei einer handgeführten Manipulatorsteuerung bereitzustellen.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen medizinischen Manipulator gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Steuern eines medizinischen Manipulators gemäß Anspruch 8.
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Die oben genannte Aufgabe wird im Besonderen gelöst durch einen medizinischen Manipulator, aufweisend einen Manipulatorarm, einen Endeffektor, der am Manipulatorarm befestigt ist und der mindestens ein Werkzeug mit einer sich ändernden Masse und/oder Masseverteilung aufweist, eine Manipulatorsteuerung zum Steuern des medizinischen Manipulators, wobei die Manipulatorsteuerung in jedem Regelungsschritt eine aktuelle Lastdatenmatrix mit der sich ändernden Masse und/oder Masseverteilung des Werkzeugs verwendet, um Abweichungen von einer Sollpose oder Sollbahn des Werkzeugs zu vermeiden. Die Masseverteilung des Werkzeugs kann sich dadurch ändern, dass das Werkzeug bezüglich des Manipulators bewegt wird. Wie oben beschrieben, kann dies bei einem chirurgischen Eingriff durch ein Hinein- oder Herausführen von Werkzeugen in bzw. aus dem menschlichen Körper geschehen. Die Masse des Werkzeugs kann sich ändern, wenn beispielsweise Objekte mit einem Greifer aufgenommen werden, oder beispielsweise dadurch, dass Objekte oder Stoffe in den Körper eingebracht und dort abgelegt werden, wie z.B. Stents in der Gefäßchirurgie oder Klammern zum Verschließen von Wunden. Die Masse des Werkzeugs kann sich auch dadurch ändern, dass Salzwasser in einen Ballon gepumpt wird, um diesen auszudehnen. Dadurch, dass die Manipulatorsteuerung in jedem Regelungsschritt eine aktuelle Lastdatenmatrix verwendet, werden immer die aktuellen Werte der Masse und Masseverteilung des Werkzeugs in der Regelung berücksichtigt, wodurch eine Abweichung von der Sollpose oder Sollbahn des Werkzeugs vermieden wird. Zudem ist die Pose des Manipulators präzise, da die aktuelle Lastdatenmatrix in jedem Regelungsschritt aktualisiert wird.
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Bevorzugt verwendet die Manipulatorsteuerung ein Dynamikmodell des Werkzeugs, in dessen Berechnung die sich ändernde Masse und/oder Masseverteilung des Werkzeugs mit eingehen. Änderungen der Masse und/oder Masseverteilung, die Aufgrund der Bewegung der mechanischen Elemente auftreten, werden im Dynamikmodell berücksichtigt und die Manipulatorsteuerung kann entsprechend angepasst werden. Mit Hilfe des Dynamikmodells können die Lastdaten auch mit einer höheren zeitlichen Auflösung in der Manipulatorsteuerung bestimmt werden. Und zusätzlich kann die Manipulatorsteuerung auch schon zukünftige Werte, insbesondere die Werte der Masseverteilung des Werkzeugs, aus dem Dynamikmodell bestimmen und berücksichtigen. Bevorzugt ist das Dynamikmodell des Werkzeugs in dem Dynamikmodell des Manipulators integriert. Dadurch werden sämtliche Bewegungen des Manipulators in einem gemeinsamen Modell beschrieben, was Kommunikationsfehler vermeidet und die Steuerung des Manipulators insgesamt verbessert.
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Bevorzugt berücksichtigt die Manipulatorsteuerung das Wissen über eine Änderung der Masse und/oder Masseverteilung des Werkzeugs. Dadurch können vorbereitende Berechnungen durchgeführt werden bzw. gleichbleibende Werte erkannt werden. Dies erleichtert nachfolgende Berechnungen und macht die Datenverarbeitung insgesamt schneller. Zudem wird eine Abweichung bereits während eines Zeitschritts (Reglerzyklus) ausgeregelt, und damit verringert, und nicht erst danach.
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Bevorzugt weist der Endeffektor eine Mehrzahl von Werkzeugen auf, die bezüglich des Manipulatorarms unabhängig voneinander bewegt werden können. Durch den gleichzeitigen Einsatz von mehreren Werkzeugen, wie zum Beispiel einer Kamera und einem Greifer, wird dem Bediener des Manipulators die Arbeit erleichtert, indem er zum Beispiel bessere Einblicke auf das Operationsgebiet erhält. Zudem können komplexere Aufgaben durchgeführt werden, indem beispielsweise ein Greifer eine Öffnung frei hält und gleichzeitig mit einem Skalpell in der Öffnung gearbeitet wird. Aufgrund der unabhängigen Beweglichkeit der Werkzeuge ist es wahlweise möglich nur bestimmte Werkzeuge in den jeweiligen Trokar einzuführen, was die Übersichtlichkeit bei der Arbeit erhöht.
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Bevorzugt wird die Masseverteilung über die bekannte Position eines oder mehrerer mechanischer Elemente des Werkzeugs berechnet und dann der Manipulatorsteuerung zugeführt.
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Die Berechnung der Masseverteilung kann in der Manipulatorsteuerung als auch direkt im Werkzeug (Endeffektor) erfolgen. Die Masseverteilung kann im Voraus und mittelbar berechnet werden, so dass Abweichungen von einer Sollpose oder Sollbahn des Werkzeugs von vornherein vermieden werden.
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Bevorzugt übermittelt eine elektronische Steuerungseinheit, die die mechanischen Elemente steuert, eine Information über eine aktuelle und/oder kommende Änderung der Position der mechanischen Elemente des Werkzeugs an die Manipulatorsteuerung. Dadurch kann die Manipulatorsteuerung diese kommende Änderung der Position dieser, bevorzugt angetriebener mechanischer Elemente, vor bzw. in dem nächsten Regelungsschritt berücksichtigen.
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Bevorzugt ist ein mechanisches Element eine Linearachse. Mit einer Linearachse sind äußerst präzise Positionierungen und hochdynamische Bewegungen möglich. Dies ist besonders bei Anwendungen in einem medizinischen Manipulator, wo auf sehr kleinem Raum (im menschlichen Körper) gearbeitet wird, von Relevanz.
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Die oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines medizinischen Manipulators, aufweisend die folgenden Schritte:
- a. Bereitstellen eines Manipulatorarms mit einem daran befestigten Endeffektor, der mindestens ein Werkzeug mit einer sich ändernden Masse und/oder Masseverteilung aufweist;
- b. Steuern des medizinischen Manipulators mit Hilfe einer Manipulatorsteuerung;
- c. Verwenden einer aktuellen Lastdatenmatrix der sich ändernden Masse und/Masseverteilung des Werkzeugs in der Manipulatorsteuerung in jedem Regelungsschritt, um Abweichungen von einer Sollpose oder Sollbahn des Werkzeugs zu vermeiden.
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Durch dieses Verfahren wird die Präzision der Bewegungen des Manipulators erhöht und die Ergonomie bei manuell-gesteuerten Manipulatorarbeiten verbessert, indem die aktuellen Werte der Masse und Masseverteilung des Werkzeugs in jedem Regelungsschritt in der Manipulatorsteuerung berücksichtigt werden.
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Bevorzugt wird in der Manipulatorsteuerung ein Dynamikmodell verwendet, in dessen Berechnung die sich ändernde Masse und Masseverteilung des Werkzeugs mit eingehen. Somit kann die Manipulatorsteuerung, wenn sie selbst die mechanischen Elemente ansteuert, die Werte für die Masseverteilung des Werkzeugs in jedem Regelungsschritt bestimmen. Zudem könnten auch Werte für zukünftige Masseverteilungen nach dem Dynamikmodell berechnet werden und in der Manipulatorsteuerung berücksichtigt werden. Bevorzugt ist das Dynamikmodell des Werkzeugs in das Dynamikmodell des Manipulators integriert. Durch Verwendung eines globalen Dynamikmodells sind weniger Schnittstellen zwischen Manipulatorsteuerung und Dynamikmodell(en) erforderlich, was Kommunikationsfehler und die Fehleranfälligkeit der Steuerung insgesamt reduziert.
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Bevorzugt berücksichtigt die Manipulatorsteuerung das Wissen über eine Änderung von Masse und Masseverteilung. Dadurch kann das Steuerungsverfahren schneller, nämlich schon im aktuellen bzw. folgenden Zeitschritt (Regelzyklus), auf den Fehler reagieren und entsprechend aussteuern. Zusätzlich kann die Bestimmung der Lastdatenmatrix hinsichtlich des zu berechnenden Datenvolumens, der Anzahl der Berechnungen oder der Geschwindigkeit optimiert werden, wodurch kürzere Regelungszeiten möglich sind.
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Bevorzugt wird die Masseverteilung über die bekannte Position eines oder mehrerer mechanischer Elemente des Werkzeugs berechnet und dann der Manipulatorsteuerung zugeführt. Da die Position der mechanischen Elemente im Allgemeinen sehr präzise bestimmbar ist, sind auch die Werte der Masseverteilung sehr präzise bestimmbar. Das führt insgesamt zu einer sehr präzisen Manipulatorsteuerung.
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Bevorzugt wird eine Information über eine aktuelle und/oder kommende Änderung der Position der mechanischen Elemente des Werkzeugs von einer elektronische Steuerungseinheit, die die mechanischen Elemente steuert, an die Manipulatorsteuerung übermittelt. Da die elektronische Steuerungseinheit die Information über die kommende Änderung, aufgrund derer sie die mechanischen Elemente entsprechend in einem nächsten Regelungsschritt steuert, schon besitzt, kann sie diese Information auch an die Manipulatorsteuerung weiterleiten, welche diese Information ihrerseits bereits im Vorfeld berücksichtigen kann, um die Abweichung von einer Sollpose oder Sollbahn des Werkzeugs zu vermeiden.
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4. Kurze Beschreibung der Figuren
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der beigefügten Figur dargestellt. Dabei zeigt:
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1 einen schematischen Aufbau eines medizinischen Manipulators gemäß der vorliegenden Erfindung.
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5. Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
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Im Folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Verweis auf die angehängte Figur beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines medizinischen Manipulators 1. Auf einer Basismontagefläche B ist ein Manipulatorarm 10 befestigt. In der dargestellten Ausführungsform besteht der Manipulatorarm 10 aus drei Armteilen A und zwei Gelenken G. Die kinematische Kette des Manipulatorarms 10 kann jedoch auch eine andere beliebige Anzahl an Armteilen A und Gelenken G aufweisen. Der Manipulatorarm 10 kann dabei in alle Raumrichtungen frei bewegt werden.
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An dem Manipulatorarm 10 ist ein Endeffektor 20 befestigt, der mindestens ein Werkzeug 21, 22, 23 umfasst, das eine sich ändernde Masse und/oder Masseverteilung aufweist. Üblicherweise sind die Werkzeuge 21, 22, 23 gegenüber dem Manipulatorarm 10 bewegbar und verändern bei solchen Bewegungen ihre jeweilige Masseverteilung bezüglich des Manipulatorarms 10. Die Werkzeuge 21, 22, 23 können dabei beispielsweise mittels mechanischer Elemente 52 unabhängig von der Pose oder Bewegung des Manipulatorarms 10 bewegt werden. In der dargestellten Ausführungsform weist der Endeffektor 20 drei Werkzeuge 21, 22, 23 auf, die sich mittels der mechanischen Elemente 52 jeweils individuell bewegen lassen, beispielsweise weiter in den Körper eines Patienten hinein oder heraus. Beispielsweise sind die mechanischen Elemente Linearachsen 52, mit denen die Werkzeuge 21, 22, 23 individuell linear verfahren werden können. Der Endeffektor 20 kann aber auch eine beliebige andere Anzahl von Werkzeugen 21, 22, 23 aufweisen. Sind die Werkzeuge 21, 22, 23, insbesondere die medizinischen Instrumente, beispielsweise maximal weit in den Körper eines Patienten eingeführt, dann ist die Masseverteilung des Werkzeugs maximal weit vorne. Sind alle Werkzeuge oder Instrumente 21, 22, 23 maximal aus dem Körper des Patienten herausgeführt, ist die Masseverteilung maximal weit hinten.
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Die mechanischen Elemente 52 der Werkzeuge 21, 22, 23 werden durch eine elektronische Steuerungseinheit 50 gesteuert. Über Datenverbindungen 60 übermittelt die elektronische Steuerungseinheit 50 bevorzugt Informationen über die Stellung der mechanischen Elemente 52 an die Manipulatorsteuerung 30.
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Die Manipulatorsteuerung 30 weist eine aktuelle Lastdatenmatrix 40 auf, die bevorzugt durch die Steuerung 30 aus den aktuellen Masseverteilungen sowie Massen der Werkzeuge 21, 22, 23 berechnet wird. Die aktuellen Masseverteilungen sowie Massen der Werkzeuge 21, 22, 23 können dabei in der Steuerung 30 als Daten 46 abgespeichert sein. Aufgrund der Verwendung der aktuellen Lastdatenmatrix, wird die Bewegung des medizinischen Manipulators 1 exakt nach den Vorgaben eines Bedieners oder eines Programms durchführt. Die aktuelle Lastdatenmatrix 40 wird auch mit Hilfe eines Dynamikmodells 42 des oder der Werkzeuge 21, 22, 23 bestimmt werden. Die Daten 46 über die Masseverteilung und Masse des Werkzeugs 21, 22, 23 können vom medizinischen Manipulator 1 über die Datenverbindung 60 in jedem Regelungsschritt an die Manipulatorsteuerung 30 geleitet werden bzw. wird in jedem Regelungsschritt aus dem Dynamikmodell 42 berechnet. Dabei kann das Dynamikmodell des Werkzeugs 42 auch in dem Dynamikmodell des Manipulators 44 mit integriert sein. Insbesondere können auch zukünftige Änderungen der Masseverteilung und der Masse des Werkzeugs bei der Steuerung des Manipulators 1 berücksichtigt werden.
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In einem Verfahren zum Steuern eines medizinischen Manipulators 1 wird die Lastdatenmatrix 40 in jedem Regelungsschritt aktualisiert. Durch das Berücksichtigen der aktuellen Masseverteilung und der Masse 46 kann die Manipulatorsteuerung 30 die auftretenden Kräfte und Momente am Werkzeug 21, 22, 23 bestimmen und die Pose oder Bahn des Werkzeugs so korrigieren, dass eine Abweichung zu einer ursprünglichen Sollpose oder Sollbahn vermieden wird.
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Insbesondere kann das Dynamikmodell 42, 44 in die Zukunft extrapoliert werden, um Werte für die Masseverteilung 46 zu bestimmen, die in der Zukunft liegen. Es können aber auch Informationen über geplante Änderungen der mechanischen Elemente 52 von der elektronischen Steuereinheit 50 an die Manipulatorsteuereinheit 30 übertragen werden. Diese Informationen können dann direkt in dem darauffolgenden Zeitschritt in der Manipulatorsteuerung berücksichtigt werden.
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Als Ergebnis werden dann die aktuellen Steuerungsbefehle, die die Veränderung der Masse und Masseverteilung des Werkzeugs 21, 22, 23 berücksichtigen, in jedem Regelungsschritt über die Datenverbindung 60 an den medizinischen Manipulator 1 übermittelt. Somit kann eine Bewegung oder Pose des Werkzeugs 21, 22, 23 ohne eine Abweichung von der Sollbahn oder Sollpose ermöglicht werden, obwohl sich die Masse oder Masseverteilung des Werkzeugs 21, 22, 23 verändern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- medizinischer Manipulator
- 10
- Manipulatorarm
- 20
- Endeffektor
- 21
- Werkzeug
- 22
- Werkzeug
- 23
- Werkzeug
- 24
- Montagefläche
- 30
- Manipulatorsteuerung
- 40
- Lastdatenmatrix
- 42
- dynamisches Modell des Werkzeugs
- 44
- dynamisches Modell des Manipulators
- 46
- Masseverteilung bzw. Masse des Werkzeugs
- 50
- elektronische Steuerungseinheit
- 52
- mechanische Elemente
- 60
- Datenverbindungen
- A
- Armteil
- B
- Basismontagefläche
- G
- Gelenk
