DE102021121673A1

DE102021121673A1 - Medizinischer kollaborativer Roboter mit justierbarem Roboterarm und Steuerverfahren

Info

Publication number: DE102021121673A1
Application number: DE102021121673.7A
Authority: DE
Inventors: Tim Beyl; Shu Chuan Yao
Original assignee: B Braun New Ventures GmbH
Current assignee: B Braun New Ventures GmbH
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2023-02-23
Also published as: EP4387553A1; CN117835935A; WO2023021146A8; WO2023021146A1

Abstract

Die Offenbarung betrifft einen medizinischen kollaborativen Roboter (1) zur Aktuierung eines medizinischen Endeffektors bei einem chirurgischen Eingriff, mit: einer Roboterbasis (6) als lokalen Anbindungspunkt des Roboters (1); einem an die Roboterbasis (6) angebundenen beweglichen Roboterarm (8), der insbesondere mehr Freiheitsgrade im Achsraum als zu manipulierende Freiheitsgrade aufweist; einem an den Roboterarm (8), insbesondere einer endständigen Seite des Roboterarms (8), angebundenen, insbesondere gelagerten, Endeffektor (2); und einer Steuereinheit (12), welche dafür angepasst ist zumindest den Roboterarm (8) anzusteuern und zu aktuieren; wobei an dem Roboterarm (8) zumindest ein Eingabe- und/oder Detektionsmittel (18; 24) angeordnet ist, und die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, bei einer Eingabe bzw. Detektion eines Objekts den Roboterarm (8) über die Steuereinheit (12) derart zu steuern, dass bei der Bewegung des Roboterarms (8) der Endeffektor (2) seine Position, insbesondere Lage, beibehält. Daneben betrifft die Offenbarung ein Steuerverfahren sowie ein computerlesbares Speichermedium gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen medizinischen kollaborativen Roboter (Cobot) zur Aktuierung eines medizinischen Endeffektors/ Manipulators im Bereich der Medizintechnik, insbesondere bei einem chirurgischen Eingriff an einem Patienten. Der kollaborative Roboter weist dabei eine Roboterbasis als lokalen Anbindungspunkt des Roboters, sowie einen an die Roboterbasis angebundenen /verbundenen beweglichen und damit justierbaren Roboterarm auf, der insbesondere mehr Freiheitsgrade im Achsraum als zu manipulierende Freiheitsgrade hat. An dem Roboterarm, insbesondere an einer endständigen Seite/ an einem freien Ende des Roboterarms, kann ein Endeffektor angebundenen/ angekoppelt, insbesondere mittels einem Gelenk angelenkt bzw. gelagert, sein. Als Endeffektor kann auch ein Kamerasystem, insbesondere eine optische Kamera dienen, welche eine Aufnahme erstellt. Ferner weist der Roboter eine Steuereinheit auf, welche dafür angepasst ist, zumindest den Roboterarm anzusteuern und entsprechend zu aktuieren und entsprechend innerhalb geometrischer Rahmenbedingungen zu bewegen. Daneben betrifft die vorliegende Offenbarung ein Steuerverfahren sowie ein computerlesbares Speichermedium gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
Technischer Hintergrund
Im Bereich der Medizin bzw. Medizintechnik gewinnt eine Automatisierung mit einhergehender Einbindung digital steuerbarer technischer Vorrichtungen immer mehr an Bedeutung. Bei einem chirurgischen Eingriff werden vermehrt Roboter eingesetzt, welche etwa einen präzisen minimalinvasiven Eingriff unterstützen. Hierbei wird der Roboter nicht nur als alleinstehender Roboter vorgesehen, der einzig die Operation durchführt, sondern der Roboter wird immer stärker als kollaborativer Roboter (Cobot), also als assistierender bzw. unterstützender Roboter, direkt im Eingriffsfeld eingesetzt, welcher mit einem medizinischen Fachpersonal, insbesondere dem Chirurgen, interagiert. So kann der kollaborative Roboter beispielsweise abschnittsweise Eingriffsoperationen durchführen und übergibt bedarfsgerecht eine weitere Eingriffsoperation an einen Chirurgen.
Bei einer solchen Interaktion zwischen Menschen und Robotern treten allerdings Probleme auf, die es noch zu lösen gilt. Da ein Roboterarm mit Endeffektor sich im Feld des Eingriffs befindet, jedoch auch ein Chirurg in diesem Feld gleichfalls agieren muss, ergeben sich unweigerlich geometrisch bedingte Behinderungen durch den Roboterarm. Beispielsweise kann sich der Roboterarm in einem Sichtfeld oder in einem Zugriffsbereich des Chirurgen befinden.
Ein neuerer Ansatz des Standes der Technik besteht darin, jeweils einen Drehmomentsensor in Gelenke eines Roboters einzubauen, welche es ermöglichen, ein Drehmoment pro Gelenk und Antrieb zu messen. Bei solchen Robotern mit Drehmomentsensoren wird ein Steuerungsmodus bereitgestellt, bei welchem der Chirurg bzw. Nutzer manuell eine Kraft auf ein Glied/ Segment des Roboterarms ausüben kann, wobei in den Gelenken das resultierende Drehmoment gemessen wird. Das Drehmoment wird dann mit Hilfe eines Steuerungsalgorithmus analysiert und in eine resultierende Bewegung des Roboterarms umsetzt. Unter Verwendung von Informationen über eine Kinematik sowie Dynamik des Roboters als Teil eines mathematischen Modells kann in den meisten Szenarien die Interaktionskraft auf die Robotergelenke berechnet werden. Jedoch birgt dies auch den Nachteil, dass ungewollt aufgebrachte Kräfte auf ein Roboterarm-Segment entlang des gesamten Roboterarms, etwa durch ein Anrempeln, auch zu ungewollten Bewegungen des Roboters führen können, da der gesamte Roboterarm die Kräfte auf die Gelenke und damit zu den Drehmomentsensoren überträgt. Auch lässt sich eine Bewegung des Roboterarms nur ungenügend steuern. Darüber hinaus kann die aufgebrachte Kraft ihrerseits bereits eine Veränderung der Endeffektorpose (z.B. durch Verformung der Struktur des Roboters) verursachen.
Zusammenfassung der vorliegenden Offenbarung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder zumindest zu mindern und insbesondere einen medizinischen kollaborativen Roboter (collaborative robot/ Cobot), ein Steuerverfahren sowie computerlesbares Speichermedium zur Verfügung stellen, der/das in besonders einfacher intuitiver, aber auch sicherer Weise eine Interaktion mit einem Nutzer erlaubt. Eine Teilaufgabe kann darin gesehen werden, einen Arbeitsbereich durch den kollaborativen Roboter bei Bedarf einfach sicher und schnell freizugeben, um eine Interaktion zwischen Nutzer und kollaborativen Roboter zu verbessern, oder den Zugang zum Operationsfeld besser zugänglich zu machen.
Die Aufgaben werden hinsichtlich eines medizinischen kollaborativen Roboters erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich eines gattungsgemäßen Steuerverfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst und hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermediums durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst.
Ein Grundgedanke besteht also darin, bei einem (kollaborativen) Roboter mit gelenkigem Roboterarm und Endeffektor, ein Bedienelement (ein Eingabe- und/oder Detektionsmittel bzw. Bedien- und/oder Erkennungsmittel) an einer solchen Stelle des Roboterarms vorzusehen, welche sich gut bewegen lässt, wobei jedoch die Kinematik des Roboterarms durch die Steuereinheit so gesteuert wird, dass der Endeffektor seine Position, und insbesondere Lage (also seine Position und Orientierung/ Ausrichtung), im absoluten Raum nicht ändert. Während also der Endeffektor in genau seiner Position bzw. Lage statisch verbleibt und etwa ein befestigtes Instrument gegenüber einem Patienten nicht bewegt wird (zumindest etwa eine Spitze nicht), kann der Roboterarm selbst in besonders einfacher und sicherer Weise mittels des Eingabe- und/oder Detektionsmittels gesteuert und seine Lage im Raum verändert werden, um insbesondere dem Chirurgen einen guten Zugang zum Operationsfeld zu gewährleisten.
Mit anderen Worten wird an dem Roboterarm, an insbesondere zumindest einer geeigneten und bestimmten Position/ Stelle oder Bereich, zumindest ein Eingabe- und/oder Detektionsmittel (Bedien- und/oder Erkennungsmittel) angeordnet /vorgesehen, und die Steuereinheit speziell dafür angepasst, bei einer (Bedien-) Eingabe durch das Eingabemittel bzw. einer Detektion eines Objekts durch des Detektionsmittel, den Roboterarm über die Steuereinheit derart zu steuern und zu bewegen, dass bei einer Bewegung des Roboterarms der Endeffektor seine Position, insbesondere Lage, beibehält.
Mit noch anderen Worten ist insbesondere eine Voraussetzung eines Systems bzw. Roboters mit einem Arm/ Roboterarm, dass dieser Roboter bzw. Roboterarm mehr Freiheitsgrade im Achsraum als zu manipulierende Freiheitsgrade hat, insbesondere überbestimmt ist. Die Lage des Roboterarms ist somit nicht eineindeutig durch die Position oder Lage (also Position und Orientierung) des Effektors bestimmt. Dieser verbleibende Freiheitsgrad wird vorliegend zunutze gemacht und es werden am Roboterarm insbesondere spezielle Punkte festgelegt, an denen der Roboterarm bewegt werden kann, ohne dass dabei der Effektor seine Position verändert. Der segmentierte Roboterarm mit einer Vielzahl an Roboterarm-Segmenten kann durch direkt an den Segmenten des Roboterarms angebrachte Eingabe- und/oder Detektionsmittel also so bewegt werden, dass der Arbeitsbereich bzw. Eingriffsbereich für den Nutzer frei bleibt, jedoch der Endeffektor seine Position, insbesondere Lage, beibehält.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt dabei auch insbesondere eine gezielte Anordnung/ Platzierung von Interaktionseinheiten (Eingabe- und/oder Detektionsmittel), insbesondere haptischen Interaktionseinheiten, an dem Roboterarm des Roboters, also der Struktur des Roboters, um besonders vorteilhaft mit dem kollaborativen Roboter interagieren zu können.
Mit noch ganz anderen Worten wird ein Roboter, eine Steuereinheit (mit entsprechend hinterlegten Steuerungsalgorithmen) und mindestens ein Eingabe- und/oder Detektionsmittel, insbesondere ein Paar, bereitgestellt, wobei das zumindest eine Eingabe- und/oder Detektionsmittel an einem oder mehreren Gliedern des Roboterarms angebracht, insbesondere integriert, ist. Der Roboter bzw. Roboterarm hat dabei insbesondere mehr Freiheitsgrade als der Aufgabenraum, in dem er operiert (beispielsweise ein Roboter mit sieben Freiheitsgraden (7 DoF), der in sechs Freiheitsgraden (6DoF) operiert). Hierbei umfasst die Lösung eines inversen kinematischen Problems in der Regel mehr als eine Lösung, meistens eine unendliche Anzahl von Lösungen. Typischerweise wird eine der Lösungen auf der Grundlage eines Kriteriums oder mehrerer Kriterien ausgewählt (insbesondere größter Abstand zu Gelenkgrenzen und/oder geringste Bewegung eines oder mehrerer Gelenke). Das Eingabe- und/oder Detektionsmittel wird als Interaktionsmittel für den Benutzer verwendet, um die Kinematiklösung auf der Grundlage der aktuellen Bedürfnisse des Benutzers zu optimieren. Insbesondere, wenn Teile der Roboterarme den Arbeitsbereich des Benutzers einschränken, werden die Eingabe- und/oder Detektionsmittel verwendet, um den Roboterarm in eine andere Position zu bewegen, ohne die Position des Effektors zu verändern. Die Benutzereingabe über das Eingabe- und/oder Detektionsmittel wird in der Steuerung verwendet, so dass die Kinematiklösung in Echtzeit optimiert wird und der Roboter der Richtung folgt, die der Benutzer auf das Eingabe- und/oder Detektionsmittel legt. Das Eingabe- und/oder Detektionsmittel wird dabei insbesondere an einem Teil des Roboterarms angebracht, der sich wahrscheinlich, im Falle einer anderen Lösung aus der Menge der Lösungen der inversen Kinematik, bewegen würde. Es wird vorliegend also ein justierbarer Rotoberarm mit Endeffektor bereitgestellt, der eine besonders gute Interaktion gewährleistet.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden insbesondere nachfolgend erläutert.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Roboterarm zumindest zwei Roboterarm-Segmente/ Roboterarm-Glieder aufweisen und das Eingabe- und/oder Detektionsmittel kann an einer Verbindung bzw. Verbindungsstelle, insbesondere an einem Gelenk und/oder Lager, zwischen den zumindest zwei Roboterarm-Segmenten vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Eingabe- und/oder Detektionsmittel an einer Verbindung bzw. Verbindungsstelle, insbesondere an einem Gelenk und/oder Lager, welches die Roboterbasis mit dem Roboterarm verbindet, vorgesehen sein. Durch die spezielle Anordnung der Interaktionseinheit bzw. des Eingabe- und/oder Detektionsmittels an einer Verbindungen bzw. Gelenken bzw. Lagern einzelner Glieder des Roboterarms, kann an genau den Stellen eine Interaktionsmöglichkeit vorgesehen werden, die sich als Kinematiklösung des Roboterarms sehr wahrscheinlich bewegen würde. Diese Positionen bzw. Punkte sind also insbesondere die Gelenke des (Roboter-)Arms. Insbesondere gibt es zu jedem Punkt oder Gelenk eine Interaktionseinheit/ ein Bedienmittel in Form des Eingabe- und/oder Detektionsmittels.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können an dem Roboterarm an zumindest einer Verbindung bzw. Verbindungsstelle zwei, insbesondere einander abgewandte, Eingabe- und/oder Detektionsmittel vorgesehen sein, wobei diese eine Bewegung des Roboterarms in entgegengesetzte Richtungen steuern oder eine Kinematik vor- und zurücklaufend steuern. Vorzugsweise gibt es sogar an jedem Punkt oder Gelenk des Roboterarms zwei Eingabe- und/oder Detektionsmittel, die entgegengesetzt wirken bzw. eine entgegengesetzte Steuerung des Roboterarms durch die Steuereinheit ausführen. Entgegengesetze Steuerung kann beispielsweise sein: „Roboterarm im Punkt (des zugeordneten Eingabe- und/oder Detektionsmittels) links / rechts verfahren“, „Gelenk am Punkt (des zugeordneten Eingabe- und/oder Detektionsmittels) links / rechts drehen“. Durch das Vorsehen von zwei Eingabe- und/oder Detektionsmitteln kann also ähnlich einer Fernbedienung mit Wahltasten oben und unten eine intuitive und sichere Steuerung bereitgestellt werden. Im Falle von gegenüberliegende Eingabe- und/oder Detektionsmitteln kann eine versehentliche falsche Steuerung in einer Steuer-Richtung ausgeschlossen werden. Insbesondere können also die Eingabe- und/oder Detektionsmittel speziell an den gegenüberliegenden Seiten eines Roboterarms, insbesondere eines Ellbogens eines 7DoF-Roboters (Roboter mit sieben Freiheitsgraden), vorgesehen oder angebracht sein, und eine Eingabe bzw. Detektion eines Objekts eines der Mittel bewirkt eine Eigenbewegung in eine Richtung, während die Eingabe bzw. Detektion eines Objekts des anderen Mittels eine Eigenbewegung in die andere, entgegengesetzte Richtung bewi rkt.
Insbesondere kann als Eingabeelement ein digitaler Taster/ ein Digitalknopf verwendet bzw. eingesetzt werden. Mittels einer digitalen Taste kann unter anderem eine Sterilbarriere an dieser Stelle gut integriert werden. Insbesondere ist die digitale Taste eine Taste, welche ein binäres Eingabesignal erfasst (ein und aus) und an die Steuereinheit weiterleitet.
Vorzugsweise kann als Eingabemittel eine insbesondere drucksensitive, Taste /Drucktaster mit einer Betätigungsrichtung und/oder ein drucksensitives Bedienfeld eingesetzt /vorgesehen sein. Es können also insbesondere Eingabemittel verwendet werden, die analoge Eingangssignale erzeugen, wie beispielsweise eine druckempfindliche Fläche, und welche neben einer Eingabe an sich (ein und aus) auch noch einen Betrag einer Eingabe erfassen können. Auf diese Weise kann aus einem Eingabesignal die Information einer Stärke für die Weiterverarbeitung erfasst werden. Insbesondere kann ein linearer Zusammenhang zwischen Eingabedruck und Stärke Eingabesignal (bis zu einem Grenzwert) vorgesehen sein. Die Steuereinheit kann aber auch dafür angepasst sein, das Eingabesignal zu verarbeiten und auf diesem basierend eine hinterlegte Referenzkurve zwischenzuschalten, um eine angepasste Aktuierung zu gewährleisten. Auch kann ein Verlauf eines Eingabesignals durch die Steuereinheit ausgewertet und eine Steuerung auf Basis des Verlaufs des Eingabesignals angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, bei einer Betätigung der Taste in Betätigungsrichtung an der Stelle des Eingabe- und/oder Detektionsmittels eine, insbesondere nichtlineare, Bewegung des Roboterarms senkrecht zu der Betätigungsrichtung auszuführen. Die vom Benutzer auf die Taste ausgeübte Kraft führt dann nicht zu einer Bewegung des Roboters entlang der Richtung der Kraft, sondern in eine andere Richtung, einschließlich nicht linearer Bewegungen des Roboterarms. So kann dem Nutzer eine verbesserte Interaktion bereitgestellt werden. Wenn beispielsweise ein Nutzer sich vorbeugt und auf ein Eingabemittel drückt, so fährt der Roboterarm mit dem Eingabemittel nicht noch weiter von dem Nutzer weg, was eine Eingabe erschweren würde, sondern bewegt sich etwa seitwärts oder nach unten. Auf diese Weise bleibt das Eingabemittel im Bereich einer Zugriffsmöglichkeit des Nutzers.
Insbesondere kann die Taste, welche drucksensitiv ist, und/oder das drucksensitive Bedienfeld einen Betrag eines Eingabedrucks erfassen und die Steuereinheit auf Basis des erfassten Drucks eine Geschwindigkeit und und/oder eine Distanz einer Bewegung von Verbindungsstellen des Roboterarms modulieren. Insbesondere kann also ein analoges Eingangssignal verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Bewegung der Gelenke zu modulieren. Das analoge Eingangssignal kann auch verwendet werden, um einen Abstand der Bewegung der Gelenke zu modulieren. Dies bedeutet, dass je höher der Druck ist, desto höher ist die Geschwindigkeit bzw. der Abstand der Bewegung der Gelenke. Es liegt also insbesondere ein proportionaler Zusammenhang vor. Bei nur leichtem Druck lässt sich besonders präzise eine Bewegung des Roboterarms steuern, während für grobe Ausrichtungen mit einem hohen Druck der Roboterarm schnell bewegt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann als Erkennungsmittel ein Distanzsensor, insbesondere ein Ultraschallsensor oder ein kapazitiver Sensor, eingesetzt, und die Steuereinheit dafür angepasst sein, bei einer Detektion eines Objekts durch den Distanzsensor, insbesondere bei einer Distanz kleiner eines vorbestimmten Grenzwerts/ Schwellenwert, den Roboterarm zu bewegen, insbesondere von dem Objekt wegzubewegen. Ein kapazitiver Sensor erfasst eine Änderung einer elektrischen Kapazität (wie etwa bei einem Touchdisplay) und kann so (auch berührungslos) eine Interaktion erfassen. Durch den Grenzwert wird sichergestellt, dass nicht versehentlich eine Bewegung des Roboterarms durchgeführt wird, obwohl nur ungewollt ein Objekt in der Nähe des Distanzsensors gelangt ist. Mit anderen Worten kann also zusätzlich oder anstelle von Eingabemitteln, etwa eines Tastenpaares, also insbesondere ein oder mehrere Distanzsensoren/ Abstandssensoren, wie etwa ein Ultraschallsensor oder ein kapazitiver Sensor, verwendet werden. Der Distanzsensor wird dafür verwendet, um Platz für Objekte zu schaffen, die in die Nähe des Distanzsensors gelangen. Der Distanzsensor wird insbesondere mit einem Schwellenwert verwendet, so dass die Roboterkinematik nur dann optimiert wird, wenn sich ein Objekt unterhalb einer bestimmten Distanz befindet.
Vorzugsweise kann die Steuereinheit auf Basis der erfassten Distanz eine Geschwindigkeit und und/oder eine Distanz einer Bewegung von Verbindungsstellen des Roboterarms modulieren. Der erfasste Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt wird also dazu verwendet, die Geschwindigkeit einer Bewegung der Gelenke zu modulieren oder einen Abstand zwischen den Robotergelenken zu modulieren. In diesem Fall verhält sich die Modulation insbesondere antiproportional: Je näher das Objekt an den Distanzsensor herankommt und je kleiner die erfasste Distanz ist, desto schneller wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms durch die Steuereinheit eingestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das zumindest eine Eingabe- und/oder Detektionsmittel, insbesondere eine Taste, koaxial zu einer Gelenkachse, insbesondere Drehachse, des Roboterarms angeordnet sein. Auf diese Weise ist das Eingabe- und/oder Detektionsmittel genau an dem Gelenk angeordnet und kann eine Bewegung an dieser Stelle steuern.
Insbesondere können Eingabe- und/oder Detektionsmittel, vorzugsweise Tasten, speziell an oder auf einer linearen Achse oder an der Roboterbasis des Roboters angebracht sein, falls eine lineare Achse zur Bewegung der Roboterbasis verwendet wird. In diesem Fall kann insbesondere ein Paar von Eingabe- und/oder Detektionsmitteln verwendet werden, um die Roboterbasis entlang der linearen Achse zu bewegen, während die Position, insbesondere die Lage, des Endeffektors beibehalten wird.
Insbesondere ist das Eingabe- und/oder Detektionsmittel integraler Bestandteil des Roboterarms und fest mit diesem verbunden. Wenn das Eingabe- und/oder Detektionsmittel also direkt in dem Roboterarm eingebaut ist, so lässt sich ein Bauraum weiter optimieren und eine intuitive Bedienung erleichtern.
Hinsichtlich eines (computerimplementierten) Steuerverfahren zur Steuerung eines medizinischen kollaborativen Roboters mit einem an einer Basis angebundenen Roboterarm und einem an den Roboterarm angebundenen Endeffektor, insbesondere gemäß der vorliegenden Offenbarung, wird die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung gelöst durch die Schritte: Erfassen einer Eingabe oder Detektion eines Objekts mittels zumindest einem Eingabe- und/oder Detektionsmittel, insbesondere mittels einer Taste und/oder einem Distanzsensor; und Steuern und Bewegen des Roboterarms derart, dass der Endeffektor seine Position, insbesondere Lage, im Raum beibehält. Der Roboterarm wird also derart angesteuert, dass dieser auf Basis eines hinterlegten kinematischen Algorithmus sich aus einem freizuhaltenden Bereich herausbewegt, während jedoch der Endeffektor seine Position, insbesondere Lage, beibehält.
Vorzugsweise kann das Steuerverfahren den Schritt aufweisen: Erfassen eines Bediendrucks mittels einer drucksensitiven Taste und/oder eines drucksensitiven Bedienfelds; und Modulieren einer Geschwindigkeit auf Basis des erfassten Eingabedrucks/ Bediendrucks. Analog zu dem vorstehend beschriebenen kollaborativen Roboter kann die Geschwindigkeit einer Bewegung des Roboterarms durch den Eingabedruck eingestellt werden. Je höher der Druck ist, desto schneller kann die Bewegungsgeschwindigkeit sein.
Insbesondere kann das Steuerverfahren den Schritt aufweisen: Erfassen eines Eingabedrucks mittels einer drucksensitiven Taste und/oder eines drucksensitiven Bedienfelds; und Modulieren einer Distanz zwischen zwei Punkten des Roboterarms, insbesondere zwischen zwei Gelenken und/oder Lagern des Roboterarms, auf Basis des Eingabedrucks.
Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform das Steuerverfahren den Schritt aufweisen: Erfassen einer Distanz mittels eines Distanzsensors; Modulieren einer Geschwindigkeit auf Basis der erfassten Distanz. Hierbei wird insbesondere das Verhältnis verwendet, dass, je kleiner die Distanz ist, desto höher ist die Geschwindigkeit.
Hinsichtlich eines computerlesbares Speichermediums wird die Aufgabe also dadurch gelöst, dass dieses Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Verfahrensschritte des Steuerverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen.
Jegliche Offenbarung im Zusammenhang mit dem kollaborativen Roboter gemäß der vorliegenden Offenbarung gilt für das Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wie auch umgekehrt.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines medizinischen kollaborativen Roboters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
2 eine detaillierte perspektivische Teilansicht eines Drehgelenks des kollaborativen Roboters aus 1;
3 ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bei einem Roboter mit einem Eingabemittel; und
4 ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bei einem Roboter mit einem Detektionsmittel.

Die Figuren sind schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Erfindung dienen. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 und 2 zeigen in einer perspektivischen Ansicht bzw. detaillierten perspektivischen Teilansicht einen medizinischen kollaborativen Roboter 1 (nachstehend nur Cobot genannt) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Aktuierung eines medizinischen Endeffektors 2, der ein chirurgisches Instrument 4 führt.
Der Cobot 1 weist eine Roboterbasis 6 in Form eines im Raum angeordneten, ortsfesten Sockels als lokalen Anbindungspunkt des Cobots 1 auf. An dieser Roboterbasis 6 ist ein mehrgelenkiger/ mehrgliedriger/ mehrsegmentierter Roboterarm 8 angelenkt, an dessen endständigem Bereich der Endeffektor 2 mit dem Instrument 4 führbar angelenkt ist. Der Roboterarm 8 mit seinen Roboterarm-Segmenten bzw. Roboterarm-Gliedern 10 weist in dieser Ausführungsform mehr Freiheitsgrade im Achsraum (DoF) als zu manipulierende Freiheitsgrade auf, so dass ausgehend von einer Lage des Endeffektors 2 unterschiedliche Lagen des Roboterarms 8 möglich und einstellbar sind. Mit anderen Worten legt die Lage des Endeffektors 2 nicht eineindeutig die Lage des Roboterarms 8 fest, sondern es gibt einen Lösungsraum mit einer Vielzahl unterschiedlicher Lagen der einzelnen Roboterarm-Segmente 10 zueinander und damit des Roboterarms 8. Während also die Lage des Endeffektors 2 gleich bleibt, kann der Roboterarm 8 entsprechend einer geometrisch möglichen Kinematik im Lösungsraum bewegt werden.
Zur Steuerung des Cobots 1 weist dieser eine Steuereinheit 12 auf, welche die Roboterarm-Segmente 10 des Roboterarms ansteuern kann, um den Roboterarm 8 zu bewegen. Konkret weist der Roboterarm 8 ein erstes Roboterarm-Segment 10.1 auf, welches an die Roboterbasis 6 angelenkt ist. Ein zweites Roboterarm-Segment 10.2 ist über ein erstes Drehgelenk 14 mit erster Drehachse/ Gelenkachse 16 an das erste Roboterarm-Segment 10.1 angelenkt.
Im Unterschied zum Stand der Technik ist beidseitig jeweils ein Eingabemittel in Form einer drucksensitiven (digitalen) Taste 18 (nur eine Taste 18 dargestellt, die andere Taste ist auf der abgewandten Seite des ersten Drehgelenks 14) direkt in dem ersten Drehgelenk 14 koaxial zu der Drehachse 16 ausgerichtet und einander abgewandt eingebaut. Dadurch sind an bzw. in dem Gelenk 14 selber an zwei unterschiedlichen Seiten zwei Eingabemitte/ Bedienelemente in Form der zwei abgewandten Taster 18 bereitgestellt, welche es dem Chirurgen ermöglichen eine manuelle haptische Eingabe vorzunehmen. Basierend auf dieser Eingabe werden dann die Roboterarm-Segmente 10 des Roboterarm 8 über die Steuereinheit 12 derart gesteuert, dass trotz der Bewegung des Roboterarms 8 die Position, insbesondere Lage, des Endeffektors 2 unverändert bleibt.
Konkret würde in dieser Ausführungsform ein manueller Druck auf die Taste 18 am Drehgelenk 14 das ersten und zweite Drehgelenk-Segment 10.1 und 10.2 und damit den Roboterarm 8 um seine Achse 16 (siehe Pfeil für Drehrichtung) drehen lassen, während die Position des Endeffektors 2 beibehalten wird. Um eine Selbstbewegung in die entgegengesetzte Richtung auszuführen, kann die zweite Taste 18 auf der anderen Seite des Roboters 1 verwendet werden.
Das vorliegende Konzept sieht also vor, dass eine spezielle Montageposition eines Paars an Tastern 18 an dem ersten Drehgelenk 14 vorgesehen ist. Ein Druck auf den einen Taster 18 lässt den Roboterarm 8 um seine erste Drehachse 16 drehen, jedoch derart, dass eine Position, vorliegend sogar die Lage (also Position und Orientierung) des Endeffektors 2 mit dem Instrument 4 beibehalten wird. Ein Druck auf die koaxial zu der ersten Drehachse 16 gegenüberliegende zweite Taste 18 bewirkt eine entgegengesetzte Bewegung zu der ersten Taste 18. Damit steht dem Chirurgen eine einfache, sichere und intuitive Möglichkeit einer Bedienung des Roboterarms 8 zur Verfügung, um den Roboterarm 8 etwa wegzubewegen und eine Zugängigkeit zu einem Eingriffsbereich zu verbessern.
Die drucksensitiven Tasten 18 messen dabei nicht nur eine Bedieneingabe in binärer Form (Eingabe, keine Eingabe) sondern erfassen auch einen aufgebrachten Druck auf die Tasten 18. Der Betrag des aufgebrachten manuellen Drucks wird durch die Steuereinheit 12 dahingehend weiterverarbeitet, dass diese eine Geschwindigkeit der Bewegung des Roboterarms 8 mit dem Druck moduliert, hier korreliert. Wird also die Taste 18 nur leicht gedrückt, so wird eine langsame Bewegung des Roboterarms 8 ausgeführt, während bei einem starken/ festen erfassten Druck des Taste 18 die Bewegungsgeschwindigkeit (bis zu einem maximalen Geschwindigkeitsfaktor) durch die Steuereinheit 12 hoch angesetzt wird. So lässt sich der Cobot 1 bei Bedarf noch präziser steuern aber auch bedarfsgerecht schneller steuern.
An dem zweiten Roboterarm-Segment 10.2 ist ein drittes Roboterarm-Segment 10.3 über ein weiteres, zweites Drehgelenk 20 mit zweiter Drehachse 22 angelenkt. Auch an diesem zweiten Drehgelenk 20 sind beidseitig einander abgewandt zwei Distanzsensoren 24 als Detektionsmittel vorgesehen. Alternativ können statt der Distanzsensoren 24 auch Tasten wie am ersten Gelenk 14 verwendet werden. Die Distanzsensoren 24 sind wieder koaxial zu der zweiten Drehachse 22 beidseitig angeordnet und in Form von Ultraschallsensoren ausgebildet. Sie sind dafür vorgesehen und angepasst eine Distanz zu einem Objekt, wie etwa einer Hand, in deren Bereich zu erfassen und der Steuereinheit 12 computerlesbar bereitzustellen.
Konkret ist der Cobot 1 mittels der Steuereinheit 12 dafür angepasst, bei einer Detektion einer Distanz von unter 5cm den Roboterarm 8 an der Stelle des zweiten Gelenks 20 von dem Objekt, insbesondere der Hand, wegzubewegen oder eine Ausweichbewegung durchzuführen, während jedoch die Position, insbesondere die Lage, des Endeffektors 2 nicht verändert wird. Damit kann eine Hand des Nutzers dem ersten Distanzsensor 24 auf einer Seite des Gelenks 20 angenähert werden und das zweite und dritte Roboterarm-Segment 10.2 und 10.3 bewegt sich von der Hand weg. Auch können unterschiedliche Bewegungsmuster bzw. Richtungen eingestellt werden. Es kann statt eine Bewegung in einer Transversalrichtung entlang der zweiten Drehachse 22 auch eine Drehung um die Drehachse 22 selbst durch die Steuereinheit 12 gesteuert werden, so dass nur eine Bewegung senkrecht zur Drehachse 22 erfolgt.
In dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit 12 dafür angepasst, auf Basis der detektierten Distanz eine Geschwindigkeit der Bewegung der Roboterarm-Segmente gegeneinander zu modulieren. Die Distanz korreliert antiproportional zu der Geschwindigkeit. Wird mittels Handbewegung auf das zweite Drehgelenk 20 mit dem Distanzsensor 24 zu bei einer Distanz von unter 5cm eine Bewegung initiiert, so kann die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms 8 entsprechend der Distanz eingestellt werden. Je näher die Hand an dem Distanzsensor 24 ist, desto schneller bewegt sich der Roboterarm 8 an der Stelle des zweiten Drehgelenks 20. Der gerade Pfeil in 1 zeigt eine Selbstbewegung mit dem Distanzsensor am Ellbogen des Roboterarms 8. Um eine Selbstbewegung in die entgegengesetzte Richtung auszuführen, wird wieder der gegenüberliegende, zweite Distanzsensor 24 (hier nicht dargestellt, jedoch mit dem Bezugszeichen 24 angedeutet) auf der anderen, abgewandten Seite des Roboterarms 8 verwendet.
Insbesondere kann die Steuereinheit 12 dafür angepasst sein, eine konstante Distanz zu halten. Auf diese Weise wird eine modulierte Geschwindigkeit eingestellt.
An dem dritten Robotararm-Segment 10.3 ist schließlich ein viertes Roboterarm-Segment 10.4 vorgesehen, an dem der Endeffektor 2 mit dem Instrument 4 angelenkt ist.
Ebenfalls ist an der Verbindung zwischen dem ersten Roboterarm-Segment 10.1 und der Roboterbasis 6 eine Taste 26 vorgesehen, um eine Bewegung an dieser Stelle zu initiieren. In einer Ausführungsform kann die Taste 26 auch dafür verwendet werden, eine lineare Bewegung der Roboterbasis 6 und damit des angebundenen Roboterarms 8 durchzuführen.
Es sind also an dem Roboterarm 8 an jedem einzelnen Gelenk, angefangen von der Roboterbasis 6 über die einzelnen Roboterarm-Segmente 10, jeweils Eingabemittel in Form von zwei abgewandten Tasten 18, 26 für zwei entgegengesetzte Bewegungsrichtungen also auch Detektionsmittel in Form von zwei abgewandten Distanzsensoren 24 vorgesehen und direkt in bzw. an den Gelenken 14, 20, etwa koaxial zu diesen, angeordnet, so dass der Roboterarm 8 an jeder Stelle der Gelenke 14, 20 bewegt werden kann. Die Steuereinheit 12 ist dabei dafür angepasst ist, bei einer Eingabe bzw. Detektion eines Objekts die einzelnen Roboterarm-Segmente 10 des Roboterarm 8 über die Steuereinheit 12 derart zu steuern, dass bei der Bewegung des Roboterarms 8 der Endeffektor 2 seine Position und insbesondere seine Lage beibehält.
In einer Ausführungsform können alle Tasten 18, 26 und Distanzsensoren 24 auch einheitlich als umschaltbare Eingabe- und Detektionsmittel vorliegen. Genauer gesagt kann ein Hybrid aus Taste und Distanzsensor vorliegen, der entweder eine manuelle direkte Bedienung mittels Taste erlaubt ober, wenn durch die Steuereinheit umgeschaltet, als Distanzsensor fungiert und eine berührungslose Aktuierung erlaubt.
So kann bedarfsgerecht zwischen einer Bedienung mittels Berührung und einer Bedienung ohne Berührung hin und her geschaltet werden. Wenn bei einem Eingriff der Chirurg sterile Handschuhe trägt und nicht mit dem Cobot 1 in Berührung kommen möchte, so kann die berührungslose Bedienung mittels Distanzsensor eingestellt werden, und wenn etwa initial der Roboterarm 8 in die richtige Position verfahren werden soll, so kann die berührungsempfindliche Taste gewählt werden.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, welches insbesondere bei dem Cobot 1 der 1 und 2 eingesetzt werden kann. Vorliegend wird ein Steuerverfahren für eine Taste beschrieben.
In einem ersten Schritt S1 wird eine Eingabe einer drucksensitiven Taste 18 detektiert, welche an einem Roboterarm vorgesehen ist.
In einem Unterschritt S1.1 wird neben der Eingabe an sich, noch ein Eingabedruck/ Bediendruck der Taste 18 ermittelt.
In einem Schritt S2 wird bei einer Eingabe durch die Taste 18 der Roboterarm 8 durch eine Steuereinheit 12 derart angesteuert und bewegt, dass der Endeffektor 2 seine Position, insbesondere Lage, im Raum beibehält.
In einem Unterschritt S2.1 wird dabei auf Basis des erfassten Bediendrucks eine Geschwindigkeit der Bewegung des Roboterarms 8 moduliert.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer weiteren, zweiten bevorzugten Ausführungsform, welches insbesondere bei dem Cobot 1 der 1 und 2 verwendet werden kann. Vorliegend wird ein Steuerverfahren für einen Distanzsensor beschrieben.
In einem ersten Schritt S3 wird ein Objekt, wie etwa eine Hand oder ein Instrument, mittels zumindest einem Detektionsmittel in Form eines Distanzsensors 24 erfasst, welches an dem Roboterarm 8 vorgesehen ist.
In einem Unterschritt S3.1 wird dabei auch die Distanz zu dem Objekt mittels dem Distanzsensors 24 erfasst;
In einem Schritt S4 folgt bei Detektion eines Objekts wieder ein Steuern und Bewegen des Roboterarms 8 derart, dass der Endeffektor 2 seine Position, insbesondere Lage, im Raum beibehält.
In einem Unterschritt S4.1 wird eine Geschwindigkeit der Bewegung auf Basis der erfassten Distanz moduliert. Verringert sich die Distanz, so wird die Geschwindigkeit erhöht, erhöht sich die Distanz, so wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms 8 verringert bis zu dem Grenzwert des Mindestabstands, zu dem keine Bewegung mehr erfolgt.
Man kann auch sagen, dass mit dem vorstehenden Steuerverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine berührungslose, manuelle Fernsteuerung des Roboterarms 8 möglich ist, bei der der Roboterarm 8 aus einer Bewegungsrichtung der Hand wegbewegt wird. So kann eine Hand in eine Richtung entlang eines Weges zu einem Eingriffsbereich hingestreckt werden und der zuvor durch den Roboterarm 8 blockierte Weg wird durch Bewegung des Roboterarms 8 aus dem Weg heraus freigegeben.
Bezugszeichenliste

1: Medizinischer kollaborativer Roboter / Cobot
2: Endeffektor
4: Chirurgisches Instrument
6: Roboterbasis
8: Roboterarm
10: Roboterarm-Segmente
10.1: erstes Roboterarm-Segment
10.2: Zweites Roboterarm-Segment
10.3: Drittes Roboterarm-Segment
10.4: Viertes Roboterarm-Segment
12: Steuereinheit
14: Erstes Drehgelenk
16: Erste Gelenkachse
18: Taster
20: Zweites Drehgelenk
22: Zweite Gelenkachse
24: Distanzsensor
26: Taster
S1: Schritt Erfassen einer Eingabe
S 1.1: Schritt Erfassen eines Bediendrucks
S2: Schritt Steuern und Bewegen Roboterarm
S2.1: Schritt Modulieren Bewegungsgeschwindigkeit auf Basis Bediendrucks
S3: Schritt Erfassen Objekt
S3.1: Schritt Erfassen Distanz zu Objekt
S4: Schritt Steuern und Bewegen Roboterarm
S4.1: Schritt Modulieren Bewegungsgeschwindigkeit auf Basis Distanz

Claims

Medizinischer kollaborativer Roboter (1) zur Aktuierung eines medizinischen Endeffektors bei einem chirurgischen Eingriff, mit: einer Roboterbasis (6) als lokalen Anbindungspunkt des Roboters (1); einem an die Roboterbasis (6) angebundenen beweglichen Roboterarm (8), der insbesondere mehr Freiheitsgrade im Achsraum als zu manipulierende Freiheitsgrade aufweist; einem an den Roboterarm (8), insbesondere einer endständigen Seite des Roboterarms (8), angebundenen, insbesondere gelagerten, Endeffektor (2); und einer Steuereinheit (12), welche dafür angepasst ist, zumindest den Roboterarm (8) anzusteuern und zu aktuieren; dadurch gekennzeichnet, dass an dem Roboterarm (8) zumindest ein Eingabe- und/oder Detektionsmittel (18; 24; 26) angeordnet ist, und die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, bei einer Eingabe bzw. Detektion eines Objekts den Roboterarm (8) über die Steuereinheit (12) derart zu steuern, dass bei der Bewegung des Roboterarms (8) der Endeffektor (2) seine Position, insbesondere seine Lage, beibehält.
Medizinischer kollaborativer Roboter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterarm (8) zumindest zwei Roboterarm-Segmente (10) aufweist und das zumindest eine Eingabe- und/oder Detektionsmittel (18; 24; 26) an einer Verbindung, insbesondere an einem Gelenk (14; 20) und/oder Lager, der beiden Roboterarm-Segmente (10) vorgesehen ist, und/oder dass das zumindest eine Eingabe- und/oder Detektionsmittel (18; 24; 26) an einer Verbindung, insbesondere an einem Gelenk und/oder Lager, der Roboterbasis (6) mit dem Roboterarm (8) vorgesehen ist.
Medizinischer kollaborativer Roboter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Roboterarm (8) an zumindest einer Verbindung zwei einander abgewandte Eingabe- und/oder Detektionsmittel (18; 24; 26) vorgesehen sind, wobei diese mittels der Steuereinheit (12) eine Bewegung des Roboterarms (8) in entgegengesetzte Richtungen steuern.
Medizinischer kollaborativer Roboter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingabemittel eine, insbesondere drucksensitive, Taste (18; 26) mit einer Betätigungsrichtung und/oder ein drucksensitives Bedienfeld eingesetzt ist.
Medizinischer kollaborativer Roboter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, bei einer Betätigung der Taste (18; 26) in Betätigungsrichtung an der Stelle der Taste (18; 26) eine, insbesondere nichtlineare, Bewegung des Roboterarms (8) senkrecht zu der Betätigungsrichtung auszuführen, um den Roboterarm (8) von dieser Stelle wegzubewegen.
Medizinischer kollaborativer Roboter (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Taste (18; 26), welche drucksensitiv ist, und/oder das drucksensitive Bedienfeld einen Betrag eines Eingabedrucks erfasst und die Steuereinheit (12) auf Basis des erfassten Eingabedrucks eine Geschwindigkeit und und/oder eine Distanz einer Bewegung von Verbindungen des Roboterarms (8) moduliert.
Medizinischer kollaborativer Roboter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Erkennungsmittel ein Distanzsensor (24), insbesondere ein Ultraschallsensor oder ein kapazitiver Sensor, eingesetzt ist, und die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, bei einer Detektion eines Objekts durch den Distanzsensor (24), insbesondere bei einer Distanz kleiner eines vorbestimmten Grenzwerts, den Roboterarm (8) zu bewegen, insbesondere von dem Objekt wegzubewegen.
Medizinischer kollaborativer Roboter (8) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) auf Basis der erfassten Distanz eine Geschwindigkeit und und/oder eine Distanz einer Bewegung von Verbindungen des Roboterarms (8) moduliert.
Medizinischer kollaborativer Roboter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Eingabe- und/oder Detektionsmittel (18; 24; 26) auf einer Gelenkachse, insbesondere koaxial zu einer Gelenkachse, vorzugsweise zu einer Drehachse (16), des Roboterarms (8) angeordnet ist.
Steuerverfahren zur Steuerung eines medizinischen kollaborativen Roboters mit einem an einer Basis angebundenen Roboterarm (8) und einem an den Roboterarm (8) angebundenen Endeffektor (2), insbesondere eines Roboters (1) der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen einer Eingabe oder Detektion eines Objekts (S1; S3) mittels zumindest einem an den Roboterarm (8) angeordneten Eingabe- und/oder Detektionsmittel (18; 24); Steuern und Bewegen (S2; S4) des Roboterarms (8) derart, dass der Endeffektor (2) seine Position, insbesondere Lage, im Raum beibehält.
Steuerverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerverfahren ferner den Schritt aufweist: Erfassen eines Bediendrucks (S1.1) mittels einer drucksensitiven Taste (18) und/oder eines drucksensitiven Bedienfeld als Eingabemittel; und Modulieren einer Geschwindigkeit (S2.1) einer Bewegung des Roboterarms (8) auf Basis des erfassten Bediendrucks.
Steuerverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerverfahren den Schritt aufweist: Erfassen einer Distanz (S3.1) mittels eines Distanzsensors (24) als Detektionsm ittel; Modulieren einer Geschwindigkeit (S4.1) einer Bewegung des Roboterarms (8) auf Basis der erfassten Distanz.
Computerlesbares Speichermedium, das Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Verfahrensschritte des Steuerverfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 auszuführen.