DE102022130514A1

DE102022130514A1 - Roboterarm, Ultraschallroboter und Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms

Info

Publication number: DE102022130514A1
Application number: DE102022130514.7A
Authority: DE
Inventors: Christopher SCHLENK; Ribin Radhakrishna Balachandran; Julian Klodmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2024-05-23
Also published as: WO2024105171A1

Abstract

Ein Roboterarm (10) mit einer Roboterstruktur (12), wobei die Roboterstruktur (12) eine mindestens ein Armglied (14) und mindestens ein Gelenk (16) aufweisende Armgliedkette (18) und ein mit der Armgliedkette (18) verbundenes Werkzeug (20) zur Verbindung mit mindestens einem Endeffektor (32) aufweist; mindestens einem Endeffektorsensor (22) zum Erfassen von auf einen mit dem Werkzeug (20) verbundenen Endeffektor (32) einwirkenden Kräfte und/oder Momente; und mindestens einem Struktursensor (24) zum Erfassen von auf die Roboterstruktur (12) einwirkenden Kräfte und/oder Momente. Ferner ein Ultraschallroboter (100) und ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboterarm, einen Ultraschallroboter und ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms.
Roboterarme kommen häufig in industriellen Anwendungen, bspw. der Automobilfertigung oder in medizinischen Anwendungen, bspw. der roboterunterstützen Chirurgie, zum Einsatz.
Die Solltrajektorien eines Leichtbauroboters, bspw. ein Roboterarm, können grundsätzlich auf drei Arten erzeugt werden:

- Autonomie: Das System errechnet selbstständig die gewünschten Trajektorien und überwacht deren Einhaltung. Dies erfordert eine genaue Kenntnis der Umgebung des Roboters, insbesondere entweder da diese sehr strukturiert und statisch ist, oder da der Roboter alle relevanten Informationen mit Hilfe entsprechender Sensoren erfassen kann. Ferner wird generell die Fähigkeit vorausgesetzt, auf unvorhergesehene Störungen angemessen reagieren zu können.
- Teleoperation: Der menschliche Nutzer befindet sich fern des Roboterarmes und kommandiert dessen Bewegungen über ein geeignetes Eingabegerät.
- Hands-On Steuerung / physische Mensch-Roboter-Interaktion: Der menschliche Nutzer interagiert direkt mit dem Roboterarm, um dessen Bewegungen und Verhalten zu beeinflussen.

Im medizinischen Bereich mit seiner unstrukturierten Umgebung und dem oftmals direkten Kontakt zwischen Robotersystem und Patient bietet die physische Mensch-Roboter-Interaktion bei zahlreichen Anwendungen Vorteile.
Im Gegensatz zu Systemen mit Autonomie ergeben sich folgende Vorteile: Da die sensorischen Fähigkeiten und das Fachwissen des menschlichen Nutzers in die Robotersteuerung einfließen, kann die Sensorik des robotischen Systems deutlich reduziert werden. Da der menschliche Nutzer bei Störungen oder unvorhergesehenen Situationen jederzeit eingreifen kann, kann die Steuerungssoftware des Systems erheblich vereinfacht werden.
Im Gegensatz zu Systemen mit Teleoperation ergeben sich folgende Vorteile: Der menschliche Nutzer kann zugleich mit dem Patienten und dem Robotersystem interagieren. Dadurch hat er jederzeit bestmögliche Informationen über das OP-Geschehen sowie die volle Kontrolle über das weitere Vorgehen, insbesondere bis hin zum Verzicht auf robotische Unterstützung und manuelle Weiterführung des Eingriffes.
Nachfolgend werden Roboterarme des Stands der Technik dargestellt.
DE 32 40 251 beschreibt die Steuerung eines Roboterarmes mit Hilfe eines Eingabegerätes mit integriertem Kraftsensor. Hierbei erfasst das Eingabegerät die durch den Benutzer ausgeübten Kräfte und Momente. Diese werden in ein Inertialsystem transformiert und anschließend darauf basierend gewünschte Translations- und Rotationsgeschwindigkeiten des Roboterendeffektors im Inertialsystem errechnet.
DE 10 2018 114 644 B3 beschreibt einen Robotermanipulator, welcher zwischen distalem Roboterglied und Endeffektor einen Sensor zum Erfassen eines Kraftwinders aufweist, sowie einen weiteren Sensor am Bediengehäuse zum Erfassen einer Benutzerkraft bzw. eines Benutzermomentes. Anhand der Daten dieser beiden Sensoren errechnet eine Recheneinheit mit Hilfe eines Dynamikmodells des Roboters eine Sollkraft bzw. ein Sollmoment zur Verschiebung der Roboterglieder sowie eine Sollkraft bzw. ein Sollmoment zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor.
DE 10 2013 019 869 A1 beschreibt modulare, manuell betätigbare Eingabemodule, welche wahlweise zwischen die gegeneinander beweglichen Armmodule oder am Werkzeuginterface eines Roboterarms montiert werden können. Die Benutzereingaben an diesen Modulen können verwendet werden, um die zwischen Eingabemodul und Roboterbasis befindlichen Achsen des Roboterarmes zu steuern und beispielsweise eine Trajektorie zu lehren.
DE 10 2015 117 213 B4 beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltung der letzten beiden Achsen eines Roboterarmes. Hierbei ist das mit der vorletzten Achse verbundene Gehäuse zylindrisch um die letzte Achse ausgebildet. Optional kann dieses Gehäuse mit einer graphischen Ausgabeeinheit ausgestattet sein. Oberhalb dieses Gehäuses befinden sich drehbar, insbesondere stetig mit Rastung oder lösbarer Klippverbindung, um die letzte Achse ein oder mehrere Eingabeelemente. Unterhalb befindet sich das mit der letzten Achse verbundene Werkzeuginterface, welches einen starren Fortsatz zur manuellen Bewegung sowie mindestens ein Eingabeelement aufweist. Die Zustände der Eingabeelemente sowie der mechanische Zustand des Roboterarmes, insbesondere Positionen und deren Ableitungen, Kräfte und Momente, werden genutzt, um die Steueranweisungen des Roboters zu erzeugen.
DE 10 2016 222 675 A1 beschreibt ein Roboterbedienhandgerät, welches über eine Kopplungsvorrichtung zwischen Endeffektor und Roboterarm mit einem Roboterarm gekoppelt werden kann. Das Roboterbedienhandgerät besitzt einen Handgriff, mehrere Buttons sowie einen Kraftsensor, an dessen distalem Ende sich das Interface der Kopplungsvorrichtung befindet. Mit diesem Interface kann das Roboterbedienhandgerät lösbar mit der Kopplungsvorrichtung an einem Roboterarm verbunden werden. Ab diesem Zeitpunkt können die vom Benutzer auf den Handgriff ausgeübten Kräfte und Momente gemessen und für das manuelle Führen des Roboters genutzt werden.
EP 2 194 434 B1 beschreibt die Steuerung eines Industrieroboters mit Hilfe eines tragbaren Programmier-Endgerätes sowie einer manuellen Führungsvorrichtung, welche mit der beweglichen Roboterstruktur oder dem Endeffektor über Schnell-Kopplungseinrichtungen gekoppelt wird. Die manuellen Führungsvorrichtung kann drahtlos mit dem ihr zugeordneten Programmier-Endgerät kommunizieren. Das Programmier-Endgerät wiederum ist per Kabel oder kabellos mit der Steuereinrichtung des Roboterarmes verbunden. Es ist möglich, das Programmier-Endgerät oder die Steuereinrichtung so zu konfigurieren, dass die Bewegungen des Roboters selektiv für einen oder mehrere Freiheitsgrade begrenzt werden.
Takacs2020 (Takacs, Bence, and Tamas Haidegger. „Autonomous applied robotics: Ultrasound-based robot-assisted needle insertion system concept and development.“ 2020 IEEE 15th International Conference of System of Systems Engineering (SoSE). IEEE, 2020.) beschreibt ein System für die Veneninjektion, bestehend aus einem LBR iiwa Roboter (KUKA, Augsburg, Deutschland), einem Ultraschalltransducer und einem Werkzeug mit drei Freiheitsgraden zum Positionieren und Einstechen der Injektionsnadel. Die Interaktionskräfte des Werkzeuges mit dem Patienten können über einen Kraftsensor zwischen Werkzeug und Werkzeuginterface des Roboters erfasst werden.
Im Innomedicus Artemis System (https://www.innomedicus.com/de/urology/artemis/) für die Prostatabiopsie wird ein Ultraschalltransducer an einem robotischen Arm befestigt und das Ultraschallbild gegenüber präoperativen Bilddaten registriert. Parallel zur Längsachse des Ultraschalltransducers befindet sich eine Führung für die Biopsienadel, welche somit gezielt auf vorab geplante Punkte in der Prostata ausgerichtet werden kann.
Lim2019 (Lim, Sunghwan, et al. „Robotic transrectal ultrasound guided prostate biopsy.“ IEEE Transactions on Biomedical Engineering 66.9 (2019): 2527-2537.) beschreibt ein weiteres robotisches System für die Prostatabiopsie, welches aber ähnliche Eigenschaften und einen ähnlichen Workflow wie das Innomedicus Artemis System aufweist.
Das iSR'obot™ Mona Lisa System (https://biobotsurgical.com/) für die Prostatabiopsie bietet gegenüber dem Innomedicus Artemis System zusätzlich noch die Möglichkeit, Position und Orientierung der Biopsienadel gegenüber dem Ultraschalltransducer aktuiert zu verändern. Auch die Translationsbewegung der Biospienadel erfolgt aktuiert.
Welleweerd2020 (Welleweerd, Marcel K., et al. „Design of an end-effector for robot-assisted ultrasound-guided breast biopsies.“ International journal of computer assisted radiology and surgery 15.4 (2020): 681-690.) beschreibt ein System für ultraschallgeführte Brustbiopsien. Dieses ist als Endeffektor für einen Leichtbauroboter ausgeführt, welcher einen Ultraschalltransducer, eine Stereokamera sowie eine über drei Servomotoren aktuierte Nadelführung aufweist.
JP 5637883 B2 beschreibt eine Steuervorrichtung für einen Roboter mit einem Sensor an einem Bediengriff.
Nachteilig an Systemen und Verfahren des Stands der Technik ist, dass eine Steuerung von Roboterarmen, insbesondere wie hier dargestellt, ungenau ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Roboterarm, einen Ultraschallroboter und ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms zu schaffen, wobei die Steuerung des Roboterarm optimiert, insbesondere präzisiert, ist.
Die Lösung der Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß durch einen Roboterarm gemäß Anspruch 1, einen Ultraschallroboter gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms gemäß Anspruch 13.
Bei dem erfindungsgemäßen Roboterarm handelt es sich insbesondere um einen medizinischen Roboterarm. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen Hands-On-Roboterarm. Bei einem Hands-On-Roboterarm im Rahmen der vorliegenden Erfindung handelt es sich insbesondere um einen Roboterarm, der ausgeführt ist zur direkten Interaktion eines Benutzers mit dem Roboterarm, insbesondere mit einem oder mehreren Robotergliedern, zur Beeinflussung der Bewegungen und/oder des Verhaltens des Roboterarms. Der Roboterarm weist eine Roboterstruktur mit einer Armgliedkette und einem Werkzeug auf. Die Armgliedkette weist mindestens ein Armglied und mindestens ein Gelenk auf. Bei dem mindestens einen Gelenk handelt es sich insbesondere um ein Gelenk mit einem oder zwei oder drei Freiheitsgraden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Gelenk um ein Kardangelenk oder ein Kugelgelenk. Mit der Armgliedkette ist, insbesondere distal, mindestens ein Werkzeug verbunden. Das Werkzeug ist zur, insbesondere lösbaren oder nicht lösbaren, Verbindung mit mindestens einem Endeffektor ausgeführt. Der Roboterarm weist ferner mindestens einen Endeffektorsensor zum Erfassen von auf einen mit dem Werkzeug verbundenen Endeffektor einwirkenden Kräften und/oder Momenten auf. Vorzugsweise ist je zu verbindendem oder verbundenem Endeffektor ein Endeffektorsensor vorgesehen. Der Endeffektorsensor ist insbesondere derart angeordnet und/oder ausgeführt, dass von der Umgebung, insbesondere von einem Patienten oder einem Werkstück, auf den Endeffektor einwirkende Kräfte und/oder Momente erfasst werden. Der Roboterarm weist ferner mindestens einen Struktursensor zum Erfassen von auf die Roboterstruktur einwirkenden Kräften und/oder Momenten auf. Der Struktursensor ist insbesondere derart angeordnet und/oder ausgeführt, dass von einem Benutzer auf die Roboterstruktur einwirkende Kräfte und/oder Momente erfasst werden. Bei dem Benutzer handelt es sich insbesondere um medizinisches Personal. Vorzugsweise ist die Armgliedkette proximal mit einer Befestigungsvorrichtung, bspw. einem Standfuß, verbunden. Bevorzugt weist der Roboterarm, insbesondere das Werkzeug, ein Eingabeinterface für Eingaben eines Benutzers auf. Das Eingabeinterface weist bspw. mindestens einen Button, einen Thumbstick, ein Steuerkreuz und/oder einen Touchscreen auf. Bevorzugt weist der Roboterarm, insbesondere das Werkzeug, ein Ausgabeinterface für optische und/oder akustische Ausgaben an einen Benutzer auf. Das Ausgabeinterface weist bspw. mindestens eine LED, ein Display und/oder einen Lautsprecher auf.
Durch die Erfindung ist es insbesondere vorteilhaft möglich, den physischen Kontakt eines Benutzers mit dem Roboterarm, insbesondere der Armstruktur, erfassen und quantifizieren können. Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine Erfassung von einwirkenden Kräften und/oder Momenten auf Endeffektoren, insbesondere von der Umgebung, wie bspw. einem Patienten, und auf die Roboterstruktur, insbesondere von einem Benutzer. Vorzugsweise kann zwischen Kräften am, insbesondere patientenseitigen Endeffektor und Kräften am, insbesondere bedienerseitigen Werkzeug und/oder Roboter unterschieden werden, bevorzugt durch separate Messungen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber vorhandenen Systemen dar, bei denen eine reine Positionsregelung des Robotersystems erfolgt. Diese reine Positionsregelung wurde im Rahmen der Erfindung als nicht ausreichend festgestellt. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist somit mit der Erfindung insbesondere vorteilhaft umgesetzt, auch die Interaktionskräfte zwischen Robotersystem und Patient permanent zu überwachen, bspw. um Abweichungen vom gewünschten Ablauf frühzeitig erkennen zu können und/oder am Roboter befestigte medizinische Endeffektoren, z.B. Ultraschalltransducer, Biopsiezangen, Injektionsnadeln, korrekt einsetzen zu können.
Durch die Erfindung ergeben sich somit insbesondere Vorteile zu den meisten der Systeme des Stands der Technik, bspw. DE 10 2013 019 869 A1 , DE 10 2015 117 213 B4 , EP 2 194 434 B1 , JP 5637883 B2 , bei denen keine Unterscheidung der Interaktionskräfte zwischen Benutzer und Robotersystem sowie zwischen Robotersystem und Patient oder Werkstück möglich ist. In DE 32 40 251 ist, insbesondere im Gegensatz zur Erfindung, keine dynamische Entkopplung der Komponenten des Arbeitsraumes möglich. Da die Roboterstruktur in DE 32 40 251 selbst keine Sensoren, insbesondere Kraft-Momenten-Sensoren, aufweist, können Interaktionen eines Benutzers nicht erfasst werden. Gegenüber DE 10 2018 114 644 B3 ergibt sich bspw. der Vorteil, dass eine spezifische Gestaltung des Roboters insbesondere zwischen letzter Achse und Werkzeugschnittstelle nicht erforderlich ist und somit eine Umsetzung bei geläufigen Robotern, insbesondere Leichtbauroboter, möglich ist. Das Telemanipulations-System Takacs2020 ermöglich im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung keine direkte Benutzerinteraktion und somit auch keine getrennte Erfassung von Interaktionskräften mit der Umgebung und Benutzerinteraktionskräften. Im Gegensatz zu Innomedicus Artemis System, Lim2019 und iSR'obot™ Mona Lisa System ermöglich die vorliegende Erfindung insbesondere vorteilhaft eine Erfassung der Interaktion des Endeffektors mit der Umgebung sowie der Armstruktur mit einem Benutzer. Dies gilt insbesondere auch gegenüber dem System Welleweerd2020, das für den autonomen Betrieb ausgelegt ist.
Weitere Vorteile der Erfindung gegenüber dem, insbesondere aufgeführten, Stand der Technik sind, dass das System der vorliegenden Erfindung bei geläufigen Roboterarmen, insbesondere Leichtbauroboterarmen, eingesetzt werden kann und/oder, dass das System für aktuierte Endeffektoren genutzt werden kann.
In bevorzugter Ausführung handelt es sich bei dem mindestens einen Endeffektorsensor um einen Kraftsensor, einen Momentensensor oder einen Kraft-Momenten-Sensor. Bei dem Kraft-Momenten-Sensor handelt es sich insbesondere um einen Kraft-Momenten-Sensor mit einem Freiheitsgrad von 2 bis 6. Möglich ist andererseits insbesondere auch, dass es sich bei dem Endeffektorsensor um einen Kraftsensor mit einem Freiheitsgrad, vorzugsweise in Längsrichtung des Endeffektors handelt. In bevorzugter Ausführung handelt es sich bei dem mindestens einen Struktursensor um einen Kraftsensor, einen Momentensensor oder einen Kraft-Momenten-Sensor. Bei dem Kraft-Momenten-Sensor handelt es sich insbesondere um einen Kraft-Momenten-Sensor mit einem Freiheitsgrad von 2 bis 6. Besonders bevorzugt ist ein Kraft-Momenten-Sensor mit 6 Freiheitsgraden, auch 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensor genannt.
In bevorzugter Ausführung weist die Armgliedkette mehrere Armglieder und/oder mehrere Gelenke auf. Insbesondere sind je zwei nebeneinander angeordnete Armglieder durch jeweils ein Gelenk beweglich miteinander verbunden. Die Armgliedkette weist vorzugsweise mehrere Armglieder mit jeweils dazwischen angeordneten Gelenken auf.
In bevorzugter Ausführung ist ein Struktursensor zwischen Werkzeug und Armgliedkette zum Erfassen von auf das Werkzeug einwirkenden Kräften und/oder Momenten. Bei diesem Struktursensor handelt es sich bevorzugt um einen 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensor. Bei diesem Struktursensor kann es sich insbesondere um den einzigen Struktursensor des erfindungsgemäßen Roboterarms handeln, andererseits kann vorzugsweise mindestens ein weiterer Struktursensor zum Erfassen von auf die Roboterstruktur einwirkenden Kräften und/oder Momenten vorgesehen sein.
In bevorzugter Ausführung ist für mindestens ein Armglied ein Struktursensor zum Erfassen von auf dieses Armglied einwirkenden Kräften und/oder Momenten vorgesehen. Bevorzugt ist für mehreren Armglieder, besonders bevorzugt für jedes Armglied, ein Struktursensor zum Erfassen von auf das jeweilige Armglied einwirkenden Kräften und/oder Momenten vorgesehen. Insbesondere ist dieser mindestens eine Struktursensor mit dem jeweiligen Armglied, vorzugsweise unmittelbar, verbunden. mit Vorzugsweise handelt es sich bei diesem mindestens einen Struktursensor um einen 3-DOF-Kraft-Momenten-Sensor.
In bevorzugter Ausführung weist der Roboterarm mindestens einen mit dem Werkzeug lösbar oder nicht lösbar verbundenen Endeffektor auf. Bei dem mindestens einen Endeffektor handelt es sich insbesondere um einen Ultraschalltransducer, eine Biopsiezangen oder eine Injektionsnadel. Insbesondere sind mit dem Werkzeug mehrere Endeffektor, vorzugsweise mehrere der vorstehenden Endeffektoren verbunden. Die mehreren Endeffektoren sind insbesondere parallel angeordnet. Der mindestens eine Endeffektor ist insbesondere beweglich oder unbeweglich; und/oder aktuiert oder nicht aktuiert ausgeführt.
In bevorzugter Ausführung ist zwischen dem mindestens einen Endeffektor, insbesondere zwischen jedem Endeffektor, und dem Werkzeug ein Endeffektorsensor zum Erfassen von auf das Werkzeug einwirkenden Kräften und/oder Momenten angeordnet. Bevorzugt ist dieser mindestens eine Endeffektorsensor mit dem jeweiligen Endeffektor und dem Werkzeug, vorzugsweise unmittelbar, verbunden.
In bevorzugter Ausführung weist die Roboterstruktur ein zwischen der Armgliedkette und dem Werkzeug angeordnetes Werkzeuginterface zur, insbesondere lösbaren, Verbindung des Werkzeugs mit dem Werkzeuginterface auf. Das Werkzeuginterface weist insbesondere ein Tool-Center-Point (TCP) auf. Bei dem Tool Center Point handelt es sich insbesondere um kein reales Teil, sondern ein bezogen auf das letzte Roboterglied definierter Punkt. Dieser Punkt kann beispielsweise auch außerhalb des Werkzeuges liegen. Dieser Punkt wird insbesondere verwendet, um die Bewegungen des Werkzeuges im kartesischen Raum zu beschreiben.
In bevorzugter Ausführung ist zwischen der Armgliedkette und dem Werkzeuginterface ein Struktursensor zum Erfassen von auf das Werkzeuginterface, sowie somit insbesondere ebenfalls auf das Werkzeug, einwirkenden Kräften und/oder Momenten angeordnet ist. Bei diesem Struktursensor handelt es sich bevorzugt um einen 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensor. Bei diesem Struktursensor kann es sich insbesondere um den einzigen Struktursensor des erfindungsgemäßen Roboterarms handeln, andererseits kann vorzugsweise mindestens ein weiterer Struktursensor zum Erfassen von auf die Roboterstruktur einwirkenden Kräften und/oder Momenten vorgesehen sein.
In bevorzugter Ausführung weist der Roboterarm ferner eine Steuereinheit zur Steuerung des Roboterarms auf. Die Steuereinheit weist insbesondere einen Prozessor und/oder einen Regler auf. Die Steuereinheit ist vorzugsweise eingerichtete zum Empfangen und insbesondere Verarbeiten der vom Endeffektorsensor und vom Struktursensor erfassen Kräfte und/oder Momente. Vorzugsweise ist die Steuereinheit eingerichtete zur Bewegung der Roboterstruktur und/oder zur Aktuierung des mindestens einen Endeffektors auf Basis der vom Endeffektorsensor und vom Struktursensor empfangenen und insbesondere verarbeiteten Kräfte und/oder Momente.
In bevorzugter Ausführung weist die Roboterstruktur mindestens eine Virtual Fixture, insbesondere zur Beschränkung und/oder Dämpfung der Bewegung des Roboterarms, auf. Bevorzugt ist die die Steuereinheit eingerichtet zur Einstellung der mindestens einen Virtual Fixture auf Basis der vom Endeffektorsensor und vom Struktursensor empfangenen und insbesondere verarbeiteten Kräfte und/oder Momente. Bei der Virtual Fixture handelt es sich insbesondere um kein reales Teil. Sie wird insbesondere in einer Software des Roboterarms, vorzugweise der Steuereinheit, definiert und parametriert, um das Verhalten des realen Roboterarmes zu beeinflussen, beispielsweise indem Bewegungen in bestimmte Bereiche unterbunden werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallroboter handelt es sich insbesondere um einen Ultraschallroboter zur Facettengelenkinjektion. Der Ultraschallroboter weist einen Roboterarm mit einem oder mehreren Merkmalen des erfindungsgemäßen Roboterarms auf. Ferner weist der Ultraschallroboter ein mit dem Werkzeug verbundenen Ultraschalltransducer als Endeffektor auf. Bevorzugt ist es, dass der Ultraschallroboter weitergehend eine mit dem Werkzeug verbundenen Injektionsnadel als weiteren Endeffektor aufweist. Ultraschalltransducer und Injektionsnadel sind insbesondere parallel angeordnet. Bevorzugt ist die Injektionsnadel in der Bildebene des Ultraschalltransducers angeordnet, kann insbesondere aber darin bewegt und verkippt werden
Ein Beispiel, bei dem die Erfindung insbesondere vorteilhaft eingesetzt werden kann, ist eine roboterunterstützte Behandlung von Facettengelenksentzündungen unter Ultraschallbildgebung. Hierbei werden generell schmerzlindernde und entzündungshemmende Medikamente in die Facettengelenke der menschlichen Wirbelsäule injiziert, wobei ein Live-Ultraschallbild für die korrekte Positionierung der Nadel genutzt wird. Bisher erfolgen derartige Eingriffe generell manuell, was beträchtliche koordinative und kognitive Anforderungen an den durchführenden Arzt stellt. Dieser muss zugleich den Ultraschalltransducer führen, das Ultraschallbild interpretieren und die Injektionsnadel koordinieren. Die Befestigung des Ultraschalltransducers und der Nadelführung an einem Roboterarm ermöglicht eine reproduzierbare, gravitationskompensierte Bewegung des Ultraschalltransducers (und falls gewünscht auch eine Begrenzung des Bewegungsbereiches) und stellt zugleich die korrekte Positionierung der Nadelführung bezogen auf den Ultraschalltransducer sicher. Festgestellt wurde, dass die Qualität des Ultraschallbildes stark von der adäquaten Orientierung des Transducers und der Andruckkraft abhängt. Somit ist es vorteilhaft, im roboterunterstützten Szenario das Robotersystem die Interaktionskräfte zwischen Ultraschalltransducer und Patient messen zu können. Steuert während des Eingriffes der Arzt seinerseits das System mittels physischer Mensch-Roboter-Interaktion, kann vorteilhaft umgesetzt werden, dass die von ihm ausgeübten Kräfte und Momente die Messung der Interaktionskräfte nicht beeinträchtigen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms handelt es sich insbesondere um ein Verfahren zur Steuerung eines medizinischen Roboterarms. Bevorzugt handelt es sich um ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms mit einem oder mehreren Merkmalen des erfindungsgemäßen Roboterarms oder des erfindungsgemäßen Ultraschallroboters. Das Verfahren betrifft insbesondere die Bewegung des Roboterarms, vorzugsweise der Roboterstruktur. Das Verfahren betrifft vorzugsweise ausschließlich die Bewegung des Roboterarms, vorzugsweise der Roboterstruktur. Insbesondere betrifft das Verfahren nicht die Steuerung, vorzugsweise Bewegung und/oder Aktuierung, von Endeffektoren. Vorzugsweise betrifft das Verfahren jedoch bspw. das Erfassen von Kräfte bei einer Endeffektoraktuierung, bspw. beim Nadelvorschub. So kann das Verfahren bevorzugt eine Kollision, bspw. mit einem Knochen erfassen und entsprechend reagieren. Zum Beispiel kann hierbei insbesondere der Vorschub reduziert oder gestoppt werden, oder ein Rückschub, vorzugsweise um eine vordefinierte Distanz, erfolgen. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erfassens von auf mindestens einen Endeffektor des Roboterarms einwirkenden Kräften und/oder Momenten. Der Schritt des Erfassens von auf mindestens einen Endeffektor des Roboterarms einwirkenden Kräften und/oder Momenten erfolgt vorzugsweise mittels mindestens eines, vorzugsweise mit mindestens einem Endeffektor verbundenen, Endeffektorsensor. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Erfassens von auf eine Roboterstruktur des Roboterarms einwirkenden Kräften und/oder Momenten. Der Schritt des Erfassens von auf die Roboterstruktur des Roboterarms einwirkenden Kräften und/oder Momenten erfolgt vorzugsweise mittels mindestens eines, vorzugsweise mit der Roboterstruktur verbundenen, Struktursensors. Diese beiden Schritte des Erfassens erfolgen vorzugsweise zumindest teilweise gleichzeitig oder nacheinander. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Ermittlung, insbesondere Berechnung, von Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomenten des Roboterarms anhand der erfassten Kräfte und/oder Momente. Die Ermittlung der Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomenten erfolgt insbesondere mittels einer Steuereinheit des Roboterarms.
In bevorzugter Ausführung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt der Ausgabe der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente, insbesondere an eine Gesamtregelung des Roboterarms. Bei der „Ausgabe“ der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente handelt es sich insbesondere um eine Übermittlung der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente, und/oder ein bildliches Anzeigen der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente.
Das Verfahren umfasst insbesondere ferne ein Speichern der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente, bspw. zu Dokumentationszwecken. Ferner kann das Verfahren eine Weiterverwendung der erfassten Kräfte und/oder Momente in der Systemregelung umfassen. Beispielweise kann eine Regelung der Roboterbewegung, z.B. der TCP des Roboters, in bestimmten kartesische Raumrichtungen basierend auf den Endeffektorkräften und/oder -momenten und/oder in anderen kartesische Raumrichtungen basierend auf den Interaktionskräften und/oder -momenten zwischen Nutzer und Werkzeug oder Nutzer und Roboterarm erfolgen. Insbesondere ist auch eine Nutzung beider Informationen möglich, wobei diese vorzugsweise entweder durch feste Gewichtungsfaktoren oder anpassbare Gewichtungsfunktionen gegeneinander gewichtet werden. Möglich ist es insbesondere auch, dass Signale vor der Weitergabe an die Regelung prozessiert werden, z.B. durch Signalfilterung oder Anpassung der Signalfrequenz an die Regelungsfrequenz via Downsampling und/oder Interpolation.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms,
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters mit einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms,
3 eine Diagrammdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms,
4 eine schematische Darstellung eines robotischen Systems zur Visualisierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms sowie zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms,
5a-5b Netzwerkdarstellungen von Teleoperationsmodelle zur Implementierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters, einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms,
6 eine Diagrammdarstellung einer Strategie zur Generierung der Reglereingaben zur Implementierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters, einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms,
7 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Werkzeugs mit Endeffektoren zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms,
8a-8b Darstellungen eines Werkzeugs mit einem Endeffektor zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms,
9 Darstellung einer Kinematik zur Implementierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters, einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms,
10 eine Darstellung einer weiteren Werkzeugvarianten zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms,
11a-11b Darstellungen einer weiteren Werkzeugvarianten zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms, und
12a-12b Darstellungen einer weiteren Werkzeugvariante mit einem Endeffektor im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms.

Ähnliche oder identische Bauteile oder Elemente werden in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bzw. Variationen davon (z.B. 24 und 24_i, 24_i+1) identifiziert. Insbesondere zur verbesserten Übersichtlichkeit werden, vorzugsweise bereits identifizierte Elemente nicht in allen Figuren mit Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Vorrichtungsmerkmale können insbesondere im Rahmen des erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder im Rahmen des erfindungsgemäßen Roboterarms 10 implementiert werden. Die beschriebenen Verfahrensmerkmale wiederum können insbesondere bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. Weiterhin können die beschriebenen Verfahrensmerkmale insbesondere im Rahmen des erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder im Rahmen des erfindungsgemäßen Roboterarms 10 implementiert sein, wobei vorzugsweise der Ultraschallroboter 100 und/oder der Roboterarm 10, besonders bevorzugt eine Steuereinheit 23 des Ultraschallroboters 100 und/oder des Roboterarms 10, eingerichtet ist zur Ausführung mindestens eines der Verfahrensmerkmale.
Die Konzepte der Erfindung, insbesondere der Ausführungsformen, sind im Bereich der Hardware als auch in medizinische Anwendungen anwendbar, insbesondere bei medizinischen Anwendungen, bei denen unter intraoperativer Bildgebung ein rotationssymmetrisches Werkzeug roboterunterstützt positioniert werden soll, z.B. Platzieren von Knochenschrauben, Entnahme von Biopsien. Ebenso sind vorzugsweise die Verfahren, insbesondere Regelungskonzepte, auf andere Anwendungen übertragbar, bspw. bei denen synchron die Interaktionskräfte zwischen Benutzer und Roboterarm sowie zwischen Roboterarm und Umgebung gemessen werden sollen.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ultraschallroboter 100, insbesondere zur Facettengelenkinjektion, mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Roboterarms 10.
Der Roboterarm 10 weist eine Roboterstruktur 12 mit einer Armgliedkette 18 und einem über ein Werkzeuginterface 26 distal mit der Armgliedkette 18 verbundenes Werkzeug 20 auf.
Die Armgliedkette 18 weist zwei über ein Gelenk 16_i+1 beweglich verbundene Armglieder 14_i, 14_i+1 auf. Das Armglied 14i ist über ein Gelenk 16i beweglich mit einem Standfuß 28 verbunden. Distal ist mit dem Armglied 14_i+1 ein Werkzeuginterface 26 verbunden.
Mit dem Werkzeuginterface 26 ist, insbesondere lösbar, ein Werkzeug 20 verbunden. Das Werkzeuginterface 26 weist einen Struktursensor 24, auf. Der Struktursensor 24 ist insbesondere zwischen Werkzeuginterface 26 und Werkzeug 20 und/oder zwischen Werkzeuginterface 26 und Armgliedkette 18 angeordnet. Der Struktursensor 24 ist zum Erfassen von Kräften und/oder Momenten eines Benutzers 102 auf das Werkzeug 20 ausgeführt und/oder angeordnet. Insbesondere handelt es sich bei dem Struktursensor 24 um einen 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensor. Bei dem Benutzer 102 handelt es sich insbesondere um ein medizinisches Personal, das bspw. mit der Hand 106 das Werkzeug 20 bewegt und derart Kräfte und/oder Momente auf das Werkzeug 20 einbringt.
Mit dem Werkzeug 20 sind, insbesondere lösbar, dargestellt zwei Endeffektoren 32a, 32b verbunden. Bei Endeffektor 32a handelt es sich um einen Ultraschalltransducer 32a, bei Endeffektor 32b um eine Injektionsnadel 32b. Die Injektionsnadel 32b ist über eine, insbesondere aktuierbare und/oder verfahrbare, Nadelführung 34b mit dem Werkzeug 20 verbunden.
Zur Erfassung von Kräften und/oder Momenten von der Umgebung, insbesondere von Patienten 104, bspw. während einer ultraschallunterstützten Facettengelenkinjektion, auf die Endeffektoren 32a, 32b, sind zwei Endeffektorsensoren 22a, 22b vorgesehen. Endeffektorsensor 22a ist zum Erfassen von auf den Ultraschalltransducer 32a einwirkenden Kräften und/oder Momenten ausgeführt und/oder angeordnet. Insbesondere ist Endeffektorsensor 22a zwischen dem Ultraschalltransducer 32a und dem Werkzeug 20 angeordnet. Endeffektorsensor 22b ist zum Erfassen von auf die Injektionsnadel 32b einwirkenden Kräften und/oder Momenten ausgeführt und/oder angeordnet. Insbesondere ist der Endeffektorsensor 22b zwischen der Injektionsnadel 32b und dem Werkzeug 20, vorzugsweise zwischen der Nadelführung 34b und dem Werkzeug 20, angeordnet. Bei dem Endeffektorsensor 22a und/oder Endeffektorsensor 22b handelt es sich insbesondere um einen Kraftsensor, einen Momentensensor oder einen Kraft-Momenten-Sensor mit zwei bis sechs Freiheitsgraden, besonders bevorzugt um einen 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensor. Andererseits kann es sich bei dem Endeffektorsensor 22a und/oder Endeffektorsensor 22b auch um einen Kraftsensor mit 1-DOF handeln. Bevorzugt handelt es sich bei dem Endeffektorsensor 22b um einen 1-DOF-Kraftsensor, der insbesondere die Kraft in Längsrichtung der Injektionsnadel 32b erfasst.
Die erfassten Kräfte und/oder Momente, die auf das Werkzeug 20 von Benutzer 102 sowie auf die Endeffektoren 32a, 32b von Patient 104 einwirken werden über die Sensoren 24, 22a, 22b erfasst und können für die Steuerung des Roboterarms 10 genutzt werden. Insbesondere werden die erfassten Kräfte und/oder Momente an eine Steuereinheit 23 für den Roboterarm 10 übermittelt. Aus den erfassten Kräften und/oder Momenten können, vorzugsweise von der Steuereinheit 23, Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente des Roboterarms 10 berechnet werden und diese vorzugsweise in die Gesamtregelung, insbesondere Gesamtsteuerung, des Roboterarms 10 einbezogen werden.
2 zeigt eine weitere erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Ultraschallroboter 100, insbesondere zur Facettengelenkinjektion, mit einer weitere erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Roboterarms 10.
In der Ausführungsform aus 2 ist für jedes Armglied 14_i, 14_i+1 ein Struktursensor 24i, 24_i+1 vorgesehen, insbesondere mit dem jeweiligen Armglied 14i, 14_i+1 verbunden.
Ferner ist insbesondere ein Struktursensor 24_i+2 zum Erfassen von Kräften und/oder Momenten auf das Werkzeug 20 vorgesehen, insbesondere mit dem Werkzeuginterface 26 verbunden.
Über die mehreren Struktursensoren 24i, 24_i+i, 24_i+2 ist insbesondere vorteilhaft ein Erfassen von Kräften, vorzugsweise eines Benutzers 102, auf die jeweiligen Elemente der Roboterstruktur 12 möglich.
Mit dem Werkzeug 20 sind dargestellt drei Endeffektoren 32a, 32b, 32c, insbesondere lösbar, verbunden. Bei Endeffektor 32a handelt es sich dargestellt um einen Ultraschalltransducer 32a, der mittels zwei über Gelenk 30 beweglich verbundene Befestigungselemente 34a1, 34a2 mit dem Werkzeug 20 verbunden ist. Ferner ist eine Injektionsnadel 32b über Nadelführung 34b und eine Biopsiezange 32c über Befestigungselement 34c als Endeffektoren 32b, 32c mit dem Werkzeug 20 verbunden. Für jeden Endeffektor 32a, 32b, 32c ist ein Endeffektorsensor 22a, 22b, 22c zum Erfassen von Kräften und/oder Momenten auf den jeweiligen Endeffektor 32a, 32b, 32c vorgesehen, insbesondere zwischen Endeffektor 32a, 32b, 32c und Werkzeug angeordnet.
Bevorzugt können folgende Verfahrensschritte umgesetzt werden und/oder der Roboterarm 10 ausgeführt sein der folgenden Verfahrensschritte: Die Interaktionskräfte von einem Benutzer 102 und der Roboterstruktur 12 des Roboterarms 10 zwischen zwei Sensoren 24i, 24_i+1 lassen sich errechnen, indem unter Berücksichtigung des Dynamikmodells des Roboterarms 10 die Messwerte zweier aufeinander folgender Sensoren 24_i, 24_i+1 in der Roboterstruktur 12 subtrahiert werden. Die Interaktionskräfte von Benutzer 102 und Werkzeug 20 lassen sich unter Berücksichtigung des Dynamikmodells des Werkzeugs 20 als Differenz der Messwerte des Sensors des Werkzeuginterfaces 26 und der Summe der Messwerte der Sensoren 22a, 22b, 22c an den Endeffektoren 32a, 32b, 32c errechnen; alternativ könnte insbesondere auch ein externer Kraftsensor zwischen Werkzeuginterface 26 und Werkzeug 20 verwendet werden. Die Interaktionskräfte zwischen Endeffektoren 32a, 32b, 32c und Umgebung können direkt anhand der jeweiligen Endeffektorsensoren 22a, 22b, 22c erfasst, insbesondere abgelesen werden. Der Kraftsensor 26 kann insbesondere in den Roboterarm 10 integriert sein, vorzugsweise zwischen Armgliedkette 18 und Werkzeuginterface 26 angeordnet sein, bspw. etwa wie in 2 dargestellt. Bei dieser Anordnung ist es bevorzugt, dass das Gewicht und bei dynamischen Bewegungen die Massenträgheiten des Werkzeuginterfaces 26 ermittelt ist und insbesondere in die Berechnungen der Werkzeuginteraktionskräfte einfließen. Alternativ kann der Kraftsensor insbesondere zwischen Werkzeuginterface 26 und Werkzeug 20 angeordnet sein.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms beschrieben. Die im Rahmen des nachfolgenden Verfahrens beschriebenen Merkmale können jedoch bevorzugt auch unabhängig von der Ausführungsform der 2 im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms und/oder im Rahmen einer Steuereinheit 23 eine erfindungsgemäßen Roboterarms 10 und/oder im Rahmen einer Steuereinheit 23 eine erfindungsgemäßen Ultraschallroboter 100 implementiert werden. Sofern die Schritte im Rahmen einer Steuereinheit 23 implementiert werden ist es bevorzugt, dass die Steuereinheit 23, bspw. mittels Prozessors und/oder FPGAs, eingerichtete ist zur Ausführung entsprechender Verfahrensschritte.
Ein erster Schritt besteht im Erfassen von auf die Endeffektoren 32a, 32b, 32c des Roboterarms 10 einwirkenden Kräften und/oder Momenten, insbesondere mittels der entsprechenden Endeffektorsensoren 22a, 22b, 22c.
Ein zweiter Schritt besteht im Erfassen von auf die Roboterstruktur 12, insbesondere auf die Armglieder 14i, 14_i+1 und/oder das Werkzeug 20 des Roboterarms 10 einwirkenden Kräften und/oder Momenten, insbesondere mittels der entsprechenden Struktursensor 24i, 24_i+i, 24_i+2.
Der erste und der zweite Schritt können insbesondere in folgender Reihenfolge ablaufen: zuerst Schritt 1, dann Schritt 2; oder zuerst Schritt 2, dann Schritt 1; oder Schritt 1 und Schritt 2 parallel; oder Schritt 1 und Schritt 2 überlappend.
Ein weiterer Schritt besteht in der Ermittlung, vorzugsweise Berechnung, von Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomenten des Roboterarms anhand der erfassten Kräfte und/oder Momente, insbesondere durch die Struktursensor 24i, 24_i+i, 24_i+2 und/oder die Endeffektorsensoren 22a, 22b, 22c. Die Ermittlung der Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomenten erfolgt insbesondere mittels einer Steuereinheit 23 (vgl. 1) des Roboterarms 10. Vorzugsweise werden aus den erfassten Sensordaten 6x1 Kraft-Momentenvektoren errechnet, wobei insbesondere Kräfte und Momente aufgrund von Schwerkraft und Systemdynamik unberücksichtigt bleiben.
Eine bevorzugtes Berechnungvorgehen des Verfahrens und/oder der Steuereinheit des Roboterarms 10 ist: $F_{User_ArmStructure_I} = F_{Sensor_ArmStructure_I} - F_{Sensor_ArmStructure_I + 1} - F_{Dyn_ArmStructure_I}$
Mit F_{Dyn_Armstructure_I}: Gewichtskraft und aus Bewegung resultierende Kräfte des Armglieds i $F_{User_Tool} = F_{Sensor_TCP} - \sum_{I}^{n} F_{Sensor_EndEffectorI} - F_{Dyn_ToolStructure}$
Mit F_{Dyn_Toolstructure}: Gewichtskraft und aus Bewegung resultierende Kräfte des Werkzeugs
Mit n: Anzahl der Endeffektoren $F_{EndEffectorI} = F_{Sensor_EndEffectorI}$
$F_{EndEffectorII} = F_{Sensor_EndEffectorII}$
$F_{EndEffectorIII} = F_{Sensor_EndEffectorIII}$
wobei F_{User_ArmStructureI_I} der externe Kraft-Momentenvektor auf die Roboterstruktur 12 zwischen Gelenk 16i und Gelenk 16_i+1, insbesondere zwischen den beiden Struktursensoren 24i, 24_i+i, F_{Sensor_ArmstructureI} der am Gelenk 16i, insbesondere am Struktursensoren 24, gemessene Kraft-Momentenvektor, F_{User_Tool} der externe Kraft-Momentenvektor auf das Werkzeug 20, F_{Sensor_TCP} der am Struktursensoren 24_i+2, am Werkzeuginterface 26 (TCP) des Roboterarmes gemessene Kraft-Momentenvektor, F_{Sensor_EndEffectorI} der jeweils am Endeffektor 32a, 32b, 32c mit dem jeweiligen Endeffektorsensor 22a, 22b, 22c gemessene Kraft-Momentenvektor und F_EndEffectorI der externe Kraft-Momentenvektor auf den jeweils am Endeffektor 32a, 32b, 32c ist (vgl. ). Das Bezugssystem kann dabei körperfest am Endeffektor befestigt oder ein fixes (inertiales) Welt-Koordinatensystem sein, wobei es allerdings bevorzugt ist, dass alle Kraft-Momentenvektoren im selben Bezugssystem vorliegen, oder in dieses umgerechnet werden. Die Drehmomente für die einzelnen Gelenke 16_i, 16_i+1, 16_i+2 können insbesondere aus den kartesischen Kraft-Momentenvektoren durch Multiplikation mit den dazugehörigen Jacobimatrizen, vorzugsweise körperfest oder inertial, berechnet werden. Bei den Variablen F handelt es sich insbesondere um sechsdimensionale Vektoren mit drei Kräften und drei Momenten.
Informationen bzgl. des bevorzugten Berechnungvorgehens finden sich in: Iskandar, Maged und Eiberger, Oliver und Albu-Schäffer, Alin und De Luca, A-lessandro und Dietrich, Alexander (2021) Collision Detection, Identification, and Localization on the DLR SARA Robot with Sensing Redundancy; In: 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2021. Insbesondere ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt das Berechnungvorgehen aus dieser Quelle zu implementieren, wobei im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugt die dort beschriebene Methode implementiert wird, wie die zweite Ableitung der gemessenen Gelenkposition - also die Berechnung der Beschleunigung - zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses vermieden werden kann.
Die errechneten 6x1 Kraft-Momentenvektoren können insbesondere zur Regelung des Roboterarms 10, vorzugsweise unterschiedlicher Gelenke 16_i, 16_i+1, 16₁₊₂ des Roboterarms 10 genutzt werden. Beispielsweise können die F_{User_Arm-StructureI} zur Regelung der Nullraumbewegung herangezogen werden und die F_{U-ser_Tool} zur Bewegung des Werkzeugs 20 am Werkzeuginterface 26 des Roboterarmes 10, wobei optional auf F_EndEffectorI basierende Virtual Fixtures 318 (vgl. 5b) die Interaktionskräfte mit der Umgebung begrenzen können.
Eine bevorzugte Regelungsarchitektur des Verfahrens und/oder der Steuereinheit besteht in einer Regelungsarchitektur mit entkoppelten Freiheitsgraden.
Hierbei kann insbesondere ein Task Space Controller TSC(x ^⇀d vww ^⇀d) als Teil des Verfahrens und/oder der Steuereinheit in jeder Task-Raum-Koordinate x ^⇀ = (x, y, z, α, β, γ)T separat konfiguriert werden. Auf diese Weise wird entweder ein kartesischer Impedanzregler I, der Positionen und Orientierungen mit der gewünschten Interaktionsdynamik (Masse-Feder-Dämpfer) steuert, oder ein Kraft-/Drehmomentregler F, der die Kräfte und Momente steuert, für alle Koordinaten des Aufgabenraums unabhängig aktiviert. Die Steuervorgänge in verschiedenen Koordinaten werden insbesondere dynamisch entkoppelt, um ein Übersprechen zwischen den Steuervorgängen in den verschiedenen Koordinaten zu vermeiden. Hierzu wird insbesondere für jeden der sechs Freiheitsgrade ein separater Regler implementiert.
Eine bevorzugte Strategie zur Generierung von Reglereingaben des Verfahrens und/oder der Steuereinheit 23 ist: Die gewünschten Eingaben x ^⇀d = (xd, yd, zd, αd, βd, γd)T für den Impedanzregler I oder ww^⇀d = (ffx,d, ffy,d, ffz, d, τx,d, τy,d, τz,d)T für den Kraft-/Drehmomentenregler F werden insbesondere durch die High-Level-Software des Robotersystems bereitgestellt. Sofern diese nur diskrete Sollwerte liefert, wird insbesondere ein kartesischer Interpolator verwendet, um die gewünschten Zustände mit der Kontrollrate zu liefern. Wenn die High-Level-Software keinen geeigneten Eingang für eine Koordinate jj liefern kann, wird der Regler insbesondere auf Fjj=0 umgeschaltet, um eine Nullkraft oder ein Nullmoment für diese bestimmte Koordinate jj zu steuern. Dadurch ist der Roboter in dieser Koordinate rücktreibbar. Da keine Kräfte aufgebracht werden, ist die Steuerung inhärent sicher. Dies ermöglicht es dem Benutzer einzugreifen, indem er im HandsOn-Modus die jeweilige Teilaufgabe manuell korrigiert oder beendet.
Bevorzugt ist im Verfahren implementiert und/oder die Steuereinheit 23 eingerichtet, insbesondere mittels High-Level-Software, dass an Hand des Systemzustandes und der Sensordaten den aktuellen Schritt im Operationsverlauf zu identifizieren und darauf basierend die Reglereingaben anzupassen. Sofern der aktuelle Operationsschritt nicht mit hinreichender Sicherheit bestimmt werden kann, kann insbesondere entweder eine Benutzereingabe angefordert werden, oder die oben beschriebene Strategie zur Generierung der Reglereingabe ohne geeigneten Eingang tritt in Kraft. Damit hinreichend genaue Aussagen zur Sicherheit der Bestimmung des Operationsschrittes getroffen werden können, werden insbesondere neben den Sensorwerten bevorzugt auch die dazugehörigen Fehlerabschätzungen gemeldet, bevorzugt an die Steuereinheit 23, besonderes bevorzugt an die High-Level-Software.
Bevorzugt erfolgt ferner eine Kombination von Inertialskalierung, haptischer Führung mit Virtual Fixtures und Force Feedback in der Steuereinheit 23, bspw. in einem Regler der Steuereinheit 23 oder im Rahmen des Verfahrens. Bevorzugt ist hierdurch, insbesondere mittels des vorgeschlagene Reglers nicht nur eine präzise Rückmeldung der gemessenen Kräfte an den Benutzer 102, sondern auch eine Modifikation der Messwerte durch Inertialskalierung und Virtual Fixtures möglich.
Eine bevorzugte Strategie zur Optimierung der Rücktreibbarkeit durch Inertialskalierung des Verfahrens und/oder der Steuereinheit 23 ist: Um die Rücksteuerbarkeit noch weiter zu erhöhen, kann bevorzugt eine Inertialskalierung implementiert sein, insbesondere können die Regler die Inertialskalierung enthalten. Diese modifiziert insbesondere die vom Benutzer 102 wahrgenommene Trägheit gemäß den Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Hierdurch kann dem Benutzer beispielsweise im HandsOn-Modus das Gefühl gegeben werden, der von ihm bewegte Roboterarm sei, insbesondere nahezu, masselos und/oder reibungsfrei. Vorzugsweise wird hierzu das das Gewicht des übrigen Werkzeuges kann kompensiert werden, sodass vorzugsweise der Benutzer hat das Gefühl hat nur den Ultraschalltransducer zu bewegen.
Bevorzugte sind im Rahmen des Verfahrens und/oder mittels der Steuereinheit 23 Virtual Fixtures implementiert: Während des manuellen Bewegens des Roboterarms 10 können insbesondere Virtual Fixtures AVirtualFixture(x ^⇀d, pVF,d) aktiviert und durch pVF,d parametriert werden, insbesondere um haptisch Führungsprimitive und Sperrzoneneinschränkungen darzustellen, welche die kognitive Belastung des Benutzers reduzieren und die Sicherheit erhöhen können. Die aus den Virtual Fixtures resultierenden virtuellen Kräfte FV können insbesondere zu den präprozessierten Kraft-Momentenvektoren an den Endeffektoren F_EndEffectorI addiert werden, um eine virtuelle haptische Führung zu realisieren.
Bevorzugte sind im Rahmen des Verfahrens und/oder mittels der Steuereinheit 23 Störungsbeobachter und/oder Sicherheitssysteme implementiert: Bevorzugt überwacht mindestens ein Störungsbeobachter PDistObs(ww ^⇀EE), insbesondere permanent, alle F/T-Sensorinformationen des Roboterarms 10, um unbeabsichtigte Kollisionen sowie beabsichtigte Benutzer- oder Umgebungsinteraktionen zu unterscheiden. Die Sicherheit wird insbesondere durch die Begrenzung von Kräften und Geschwindigkeiten und die Gewährleistung der Stabilität des geregelten Systems durch z.B. Passivitätsbeobachter garantiert.
Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 in einem Ablaufdiagramm dargestellt. Zunächst erfolgt ein Erfassen von Kräften und/oder Momenten der Roboterstruktur 12, insbesondere mittels mindestens einem Struktursensor 24 (Schritt 202), sowie ein Erfassen von Kräften und/oder Momenten des mindestens einen Endeffektors 32, insbesondere mittels mindestens einem Endeffektorsensor 22 (Schritt 204).
Bevorzugt werden erfassten Kräfte und/oder Momente vorprozessiert, indem beispielsweise Rauschen gefiltert und/oder ein statischer Offset kompensiert wird (Schritt 206). Anschließend werden insbesondere die vorprozessiert Kräfte und/oder Momente zusammen mit den Kräften und/oder Momenten, welche sich aus einem Dynamikmodell des Roboterarms 10 ergeben (Schritt 208), verwendet, um die Interaktionskräfte und/oder -momente zu berechnen (Schritt 210).
Bevorzugt werden diese anschließend in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert (Schritt 212) und vorzugsweise an die Steuerung, insbesondere Regelung, des Gesamtsystems des Roboterarms 10 ausgegeben (Schritt 214).
4 zeigt eine schematische Darstellung eine bevorzugten robotischen Systems 1000 Umsetzung in einem erfindungsgemäßen Ultraschallroboter 100 und/oder einem erfindungsgemäßen Roboterarm 10. Die Kräfte F und Massen M des robotischen Systems 1000 sind in einem Freiheitsgrad dargestellt. Das System 1000 besteht dargestellt aus Roboterstruktur 12, Werkzeug 20 und Endeffektor 32. Die auf das System wirkenden externen Kraft F_h, bspw. durch einen Benutzer 102, und Kraft F_e, durch die Umgebung 105, bspw. einen Patienten 106, können mit Hilfe der jeweiligen Sensoren 22, 24, insbesondere ausgeführt als 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensoren ermittelt werden. F_c ist die durch einen bevorzugten Kraftregler gestellte Kraft am Roboterarm 10 in diesem Freiheitsgrad.
Die beiden Sensoren 22, 24 liefern als Messwerte insbesondere die Kräfte F₁ und F₂, wobei, vorzugsweise sofern die Kräfte und/oder Momente in Folge der Massen und Massenträgheiten von Endeffektor und Werkzeug nicht berücksichtigt werden, gilt: $F_{2} = - F_{e}$
$F_{1} = F_{h} - F_{e},$
somit sind $F_{e} = - F_{2}$
$F_{h} = F_{1} - F_{2} .$
Die Bewegungsgleichung des Gesamtsystems lautet somit insbesondere: $M_{t} \dot{V} = F_{c} + F_{h} - F_{e} - D V,$
wobei gilt: $M_{t} = M_{r} + M_{h} + M_{p},$

V ist die Geschwindigkeit des Gesamtsystems, und
D die Dämpfung des Roboters.

Die Stellkraft eines Kraftreglers für die Inertialskalierung lässt sich insbesondere errechnen als F_c = K*(F_h - F_e).
Damit ergibt sich für die Bewegungsgleichung des Gesamtsystems: $M_{t} \dot{V} = K (F_{h} - F_{e}) + F_{h} - F_{e} - D V,$
$M_{t} \dot{V} = (1 + K) F_{h} - (1 + K) F_{e} - D V,$
$\frac{M_{t}}{1 + K} \dot{V} + F_{e} + \frac{D V}{1 + K} = F_{h}$
Die letzte Zeile beschreibt dabei die vom Benutzer beim Bewegen des Werkzeuges gefühlte Kraft F_h. Insbesondere soll der Nutzer jedoch im Idealfall beim Bewegen des am Roboter befestigten Werkzeuges das Gefühl haben, allein den Endeffektor zu bewegen und dessen Interaktionskräfte mit der Umgebung F_e zu spüren: $M_{p} \dot{V} + F_{e} = F_{h}$
Indem man den Skalierungsfaktor K des Kraftreglers entsprechend anpasst, kann dieses Verhalten beinahe erreicht werden: $\frac{M_{t}}{1 + K} = M_{p}, or K = \frac{M_{t}}{M_{p}} - 1$
Die verbleibende Störgröße in Folge der Dämpfung D kann durch Einfügen eines Dämpfungstermes in F_c weiter verringert werden.
5a und 5b zeigen Netzwerkdarstellungen von Teleoperationsmodelle zur Implementierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100, einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10 und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms 10.
Das oben im Rahmen von 4 beschriebene System kann insbesondere in das in 5a gezeigte Teleoperationsmodell konvertiert werden. Der reale Leader weist die Roboterstruktur 12 und der virtuelle Follower den Endeffektor 32 insbesondere mit der gewünschten Dynamik auf. Der Block PCR 306 (Passive Coupling Reference) stellt sicher, dass sich das Gesamtsystem passiv verhält, also keine Energie generiert.
Die Port-Netz-Darstellung verwendet Geschwindigkeits- (V) und Kraftquellen (F). Wenn der Benutzer 102 den Roboter 12 mit einer Geschwindigkeit Vd bewegt, wird dies insbesondere dem virtuellen Verfolger mitgeteilt werden, so dass sich der virtuelle Verfolger, insbesondere der Endeffektor 32, ebenfalls mit der gewünschten Geschwindigkeit Vd bewegt. Dies erfolgt gem. Block „V-Source“ 310. Die gewünschte Geschwindigkeit Vd wird dem Ctrl-Block, Positionsregler 312, befohlen, sodass der Ctrl die Kraft Fc erzeugt, um den Endeffektor 32 so zu bewegen, dass er der Geschwindigkeit Vd folgt, indem er sie mit der Geschwindigkeit des Endeffektors Vr vergleicht.
Insbesondere für Anwendungen mit gemeinsamer Steuerung werden in 5b virtuelle Fixtures 318 implementiert, um die Bewegung des Endeffektors in bestimmten Richtungen zu stoppen, indem eine Kraft Fv auf den Endeffektor ausgeübt wird. Der Endeffektor-Block 315 erhält eine gewichtete Summe der Kräfte von Ctrl 312 und den virtuellen Fixtures 318. Das heißt, Fs=WcFc+WvFv, wobei die Gewichte Wc und Wv über die Kontrollbefugnis der Kräfte Fc und Fv entscheiden, insbesondere wer mehr Kontrollwirkung auf den Endeffektor 32 hat. Bspw. wenn also Wv=0 ist, wird der Endeffektor 32 vollständig durch den Benutzer bewegt. Wenn bspw. Wc=0 ist, haben die virtuellen Fixtures die vollständige Kontrolle über die Bewegung des Endeffektors. Die Gewichte Wc und Wv können Werte zwischen 0 und 1 annehmen, je nachdem, welche Freiheitsgrade/Bewegungsrichtungen von den beiden Controllern gesteuert werden müssen. Diese Gewichte werden vom Block 313 der gemeinsamen Steuerung festgelegt.
5b zeigt eine Erweiterung des Teleoperationsmodells aus 5a um Virtual Fixtures 318. Dabei werden die durch die Virtual Fixtures 318 erzeugten, insbesondere virtuellen, Kräfte als zusätzliche Kräfte auf den virtuellen Follower gegeben und über die, durch den Kraftregler 308 auf der Leader Seite erzeugte Kraft F_f an den Benutzer 102 weitergeleitet, wobei gilt: F_f = K*(F_h - F_e - F_v).
Benutzer 102 und Roboterstruktur 12 sind zusammengefasst zu Block 303, Endeffektor 32 und Umgebung sind zusammengefasst zu Block 315.
6 zeigt eine Diagrammdarstellung einer Strategie zur Generierung der Reglereingaben zur Implementierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100, einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10 und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms 10.
Um sicherzustellen, dass die Regelung immer gültige Vorgabewerte erhält, werden insbesondere die Sollwerte (Schritt 402) für Kräfte und/oder Momente, bspw. aus der Steuereinheit 23, insbesondere aus einer High-Level Software, des Roboterarms 10 vor der Weitergabe an die, Steuerung, insbesondere Regelung, nochmals überprüft (Schritt 404) und bei Bedarf modifiziert (Schritt 406). Sofern die High-Level Software für eine Koordinate j keinen gültigen Sollwert liefert, wird in dieser Koordinate eine Nullkraft kommandiert. Liefert die Steuereinheit 23, insbesondere die High-Level Software, für eine Koordinate j nur einen diskreten Wert, d.h. insbesondere mit einer Aktualisierungsrate < Kontrollrate des robotischen Systems, so wird der Eingabewert für den Regler bei dazwischen liegenden Zeitschritten mit Hilfe eines kartesischen Interpolators berechnet und entsprechend modifiziert (Schritte 410).
7 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines Werkzeugs 20 mit Endeffektoren 32a, 32b zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10. Bei dem Werkzeug 20 handelt es sich insbesondere um ein Werkzeug für die ultraschallunterstützte Facettengelenkinjektion.
Dieses Werkzeug 20 ist insbesondere modular aufgebaut, um die Verwendung unterschiedlicher Ultraschalltransducer 32a und Injektionsnadeln 32b zu unterstützen.
Der Ultraschalltransducer 32a ist insbesondere ausgeführt zur Bereitstellung intraoperativen Bilder, bspw. um die Spitze der Injektionsnadel 32b korrekt an den Facettengelenken der Wirbelsäule positionieren zu können. Der Ultraschalltransducer 32a ist über die formschlüssige Transducerbefestigung 34a lösbar mit einem Endeffektorsensor 22a, insbesondere ausgeführt als 6-DOF -Kraft-Momenten-Sensor verbunden, welcher die Interaktionskräfte zwischen Patient 106 und Ultraschalltransducer 32a messen kann. Die proximale Seite des Kraft-Momentensensors ist mit dem zentralen Strukturteil 52 des Werkzeugs 20 verbunden.
Die Positionierung und Ausrichtung der Nadelführung 34b erfolgt über einen aktuierten Translationsfreiheitsgrad 48 und einen aktuierten Rotationsfreiheitsgrad 50. Ein weiterer aktuierter Translationsfreiheitsgrad 40 ist vorgesehen zur Bewegung der Spritze 33b der Injektionsnadel 32b entlang ihrer Längsachse, wobei ein insbesondere optionaler Endeffektorsensor 22b die Interaktionskräfte der Injektionsnadel 32b erfasst. Bevorzugt kann eine Stereokamera 42 verwendet werden, um Bewegungen des Patienten 106 zu überwachen und eine erste Abschätzung für die Positionierung des Ultraschalltransducers 32a zu liefern.
Bevorzugt dienen integrierte Buttons 46 als Eingabeinterface, sowie insbesondere ein Ring von RGB-LEDs 44 als Ausgabeinterface für den Benutzer 102.
Generell ist es vorteilhaft, dass sobald die das zu behandelnde Facettengelenk im Ultraschallbild klar erkennbar ist, die Führung für die Injektionsnadel 32b positioniert und ausgerichtet wird. Die Injektionsnadel 32a sollte dabei auf den Eingang zum Facettengelenk deuten, den Weg durch das Patientengewebe möglichst kurz halten und ausreichend nah an der Mitte des Ultraschallbildes verlaufen, insbesondere da die Bildqualität zum Rand hin abfällt. Da die Injektionsnadel 32a in der Bildebene des Ultraschallbildes verlaufen soll, handelt es sich um ein planares Problem. Daher ist für die Orientierung der Nadelführung 34a in der Bildebene mindestens ein Rotationsfreiheitsgrad bevorzugt. Zusätzlich ist ein zweiter Freiheitsgrad vorteilhaft, um eine Repositionierung der Injektionsnadel 32b ohne Bewegung des Ultraschalltransducers 32a zu ermöglichen. Diese Repositionierung ist unter Umständen bevorzugt, wenn die Injektionsnadel 32b beim Einstechen auf Grund der Gewebebeschaffenheit von ihrer gewünschten Bahn abweicht und der geplante Injektionsort daher nicht erreicht werden kann. Eine Bewegung des Ultraschalltransducers 32a sollte dabei vermieden werden, da hierdurch zum einen die Registrierung zwischen präoperativer Planung und Ultraschallbild beeinträchtigt werden und zum anderen die Einstichstelle der Injektionsnadel 32b mit Ultraschallgel kontaminiert werden kann.
Bevorzugt besitzt das Werkzeug 20 wie in 7 dargestellt eine Befestigungsmöglichkeit 62 für eine Stereokamera 60 oder einen anderen, insbesondere ähnlichen, optischen Sensor. Dieser Sensor ist insbesondere so angebracht, dass er die dreidimensionale Hautstruktur des Patienten 106 in der Umgebung des Ultraschalltransducers 32b erfassen kann. Die erfasste 3D-Oberfläche kann insbesondere anschließend mit den Daten der präoperativen Bildgebung, bspw. typischerweise CT-Bilder, verglichen werden, um die ungefähre Position des zu behandelnden Facettengelenks zu identifizieren. Im autonomen Betrieb wird dann insbesondere basierend auf dieser Positionsschätzung, welche vorzugsweise unter anderem durch die Bewegung des Weichgewebes des Patienten 106 Fehler aufweisen kann, der Ultraschalltransducer 32b nahe der Wirbelsäule des Patienten positioniert. Anschließend werden insbesondere Ultraschallbilder der Wirbelsäule in der Umgebung der geschätzten Position mit den Bilddaten aus der präoperativen Planung verglichen und registriert. Insbesondere sobald der Ultraschalltransducer 32b so positioniert ist, dass sein Bildausschnitt dem Bild aus der präoperativen Planung entspricht, kann die Nadelführung gemäß der Planung positioniert und ausgerichtet werden.
Die beschriebene ungefähre Positionierung des Ultraschalltransducers mit Hilfe der Stereokamera 42 ist einerseits autonom, also ohne Eingreifen des Benutzers 102, durchführbar. Andererseits reduziert sie insbesondere den Suchraum für die Registrierung der Ultraschallbilder und der präoperativen Bilddaten. Da diese Registrierung durch die unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten, insbesondere präoperativ meist CT-Bilder, intraoperativ Ultraschall-Bilder, komplex und rechenaufwändig ist, kann so das Fehlerrisiko und der Rechenaufwand reduziert werden.
Da insbesondere der Benutzer 102 direkt mit dem Werkzeug 22 interagieren soll, weist dieses bevorzugt ein hierfür geeignetes Benutzerinterface, bestehend aus Eingabeinterface 46 und/oder Ausgabeinterface 44, auf.
Das Eingabeinterface 46 sollte insbesondere die Navigation durch eine einfache Menüstruktur ermöglichen, weshalb im vorliegenden Werkzeug 20 Buttons, bspw. hoch, runter, Bestätigung/Ebenenwechsel, integriert wurden. Es können jedoch insbesondere auch andere Interfaces wie Thumbsticks, Steuerkreuze oder ein Touchscreen verwendet werden.
Das Ausgabeinterface 44 soll insbesondere dem Benutzer 102 Rückmeldung über den aktuellen Systemzustand liefern. Im vorliegenden System ist hierfür bevorzugt ein RGB-LED Ring 44 insbesondere im Bereich des Roboterinterfaces 46 vorgesehen, andere mögliche Gestaltungsformen wären beispielsweise einzelne Status-LEDs oder ein kleines Display.
8a zeigt eine Schnittansicht eines Werkzeugs 20, insbesondere eines Teil-Werkzeugs 20, mit einem Endeffektor 32b zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10. Bevorzugt handelt es sich bei dem Teil-Werkzeug 20 aus 8a um eine Detailansicht auf den Ausschnitt VIII aus 7.
8b zeigt eine perspektivische, seitliche Ansicht auf das Werkzeug 20 aus 8a, insbesondere mit Transducer 32a, Befestigung 34a und Sensor 22a.
Der Ultraschalltransducer 32a ist über eine Transducerbefestigung 34a mit einem Form- und/oder Kraftschlussverbinder bestehend auf den Elementen 35a, 35b und einer Montageplatte 35c mit der distalen Seite eines Endeffektorsensors 22a, insbesondere ausgeführt als 6-DOF- -Kraft-Momentensensors verbunden. Die proximale Seite des Endeffektorsensor 22a ist mit dem zentralen Strukturteil 52 des Werkzeuges 20 verbunden. Das Gehäuse 21 des Werkzeugs 20 ist insbesondere derart ausgeführt, dass es die distale Sensorseite nicht berührt, um die Messung nicht zu beeinträchtigen. Insbesondere sind sowohl der über ein Scharnier 64 und eine Rändelschraube 56 fixierbare Riegel 35a als auch die Negativform 35b sind transducerspezifisch, während insbesondere die übrigen Komponenten der Transducerbefestigung 34a für verschiedene Modelle von Ultraschalltransducern 32a verwendet werden können.
Durch den bevorzugten Einsatz einer separaten Montageplatte 35c kann bei einem Wechsel des Ultraschalltransducers 32a die Transducerbefestigung 34a ausgetauscht werden, ohne dass die Verschraubung am eigentlichen Sensor gelöst werden muss. Da Montagefehler, z.B. falsche Schraubenlänge oder zu hohes Drehmoment, bei dieser Verschraubung zu einer Beschädigung des Endeffektorsensor 22a führen können, wird hierdurch insbesondere das Schadensrisiko reduziert. Die Anbringung der modellabhängige Transducerbefestigung 34a an der Montageplatte 34a ist bevorzugt werkzeuglos lösbar, z.B. über Klickverschlüsse, Magnete oder Rändelschrauben. Ebenso ist der Verschlussmechanismus der Transducerbefestigung 34a bevorzugt werkzeuglos fixierbar. Wird die Transducerbefestigung 34a formschlüssig zum Ultraschalltransducer 32a ausgeführt, ist nach einer einmaligen Kalibrierung zwischen Transducerpose und Transducerbefestigung 34a ein wiederholtes Einsetzen und Entfernen des Ultraschalltransducers 32a möglich, ohne dass jedes Mal eine Kalibrierung zwischen Transducerpose und Transducerbefestigung 34a notwendig ist.
Um Störkräfte eines Kabels 58 des Ultraschalltransducers 32a (vgl. 7) zu vermeiden, ist es bevorzugt, dass das Kabel 58 spannungsfrei zur proximalen Seite des Endeffektorsensor 22a geführt und dort fixiert wird, bspw. mittels einer Klemme 60 (vgl. 7). Da sich der Ultraschalltransducer 32a in der Transducerbefestigung 34a insbesondere allenfalls minimal bewegen kann, sind die dann auftretenden Störkräfte und -momente auf Grund des Kabels 58, insbesondere nahezu konstant und können bei der Prozessierung der Sensorwerte leicht berücksichtigt werden.
Bevorzugt befindet sich die Transducerbefestigung 34a außerhalb des Gehäuses 21 des Werkzeuges 22. Hierdurch kann der Ultraschalltransducer 22a angebracht und entfernt werden, ohne das Gehäuse 21 zu öffnen. Dadurch wird eine mögliche Beschädigung oder Verschmutzung der Komponenten im Gehäuseinneren vermieden. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass sich im Bereich des Endeffektorsensor 22a eine Öffnung im Gehäuse 21 befinden, um eine Beeinträchtigung der Kraftmessung durch das Gehäuse 21 zu vermeiden. Zum Abdichten dieser Öffnung gegen Schmutz und/oder Flüssigkeiten ist bevorzugt eine Dichtung vorzusehen, welche entweder berührungsfrei funktioniert, z.B. Labyrinthdichtung und/oder eine möglichst geringe Steifigkeit aufweist, z.B.
Silikonschaum. Hierdurch werden die vom Gehäuse auf den Endeffektorsensor 22a übertragenen Störkräfte und -momente minimiert.
9 zeigt eine Kinematik zur Implementierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100, einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10 und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms 10. Die Kinematik gem. 9 dient insbesondere zur Positionierung und Orientierung der Injaktionsnadel innerhalb der Bildebene des US-Transducers
Gezeigt ist eine geschlossene kinematische Kette mit zwei aktuierten Freiheitsgraden für Positionierung und Ausrichtung der Nadelführung 34b: Die Ausrichtung der Nadelführung 34b erfolgt insbesondere über einen translatorischen aktuiertenFreiheitsgrad 502 und einen rotatorischen aktuierten Freiheitsgrad 503, welche über zwei passive Gelenke 504, 505 miteinander gekoppelt sind. Der translatorische Freiheitsgrad 502 passt insbesondere die Neigung der Nadelführung 34b an, der rotatorische Freiheitsgrade 503 stellt den Abstand der Nadelführung 34b zum Ultraschalltransducer 32a entlang einer Kreisbahn ein. Da bevorzugt der rotatorische Freiheitsgrade 503 nur kleine Winkeländerungen durchführt, wird die Nadelführung 34b durch ihn vorwiegend horizontal bewegt und nur minimal von der Haut des Patienten 106 abgehoben, wobei insbesondere die vertikale Bewegung bei Auslenkungen bis 10° auf Grund der trigonometrischen Beziehungen unter 10% der horizontalen Bewegung liegt. Die Nadel 33b kann insbesondere gegenüber der Nadelführung 34b durch einen separaten translatorischen Freiheitsgrad 508 bewegt werden.
Da eine hohe Steifigkeit der Nadelführung wünschenswert ist, wurde in der Ausführung der 9 eine geschlossene kinematische Kette mit zwei angetriebenen Freiheitsgraden 502, 503 gewählt. Beide Freiheitsgrade 502, 503 besitzen insbesondere an einem Ende ihres Bewegungsbereiches einen Endschalter, um nach dem Einschalten des Werkzeugs 20 eine Initialisierungsfahrt zu ermöglichen. Je nach Dimensionierung der aktuierten Freiheitsgrade 502, 503 verändert sich der Bewegungsbereich der Nadelführung 34b.
10 zeigt eine Darstellung einer weiteren Werkzeugvarianten, insbesondere ein Teil-Werkzeug 20, zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10.
Ein bevorzugter Motor 601 treibt einen Zahnriemen 602 an, welcher formschlüssig mit Wagen 603 auf der Linearschiene 604 verbunden ist. Die Vorspannung des Zahnriemens 602 erfolgt insbesondere über eine Exzenterrolle 605. Nahe dem patientenseitigen Ende der Linearschiene 604 ist ein Zwischenelement 606 zur Befestigung der Nadelführung 34b angebracht. In der dargestellten Ausführung des Wagens 603 ist dieser mit einem Magneten 608 zur Anbringung einer Spritzenbefestigung ausgestattet.
Bevorzugt soll das geplante Werkzeug 20 auch eine autonome Durchführung der Facettengelenksinjektion unterstützen. Hierfür ist es bevorzugt, dass der Translationsfreiheitsgrad für den Nadelvorschub angetrieben, bspw. mittels Motor 601 gemäß 10 ausgeführt wird.
An einem Ende der Schiene 604 befindet sich insbesondere ein Endschalter, um nach dem Einschalten des Werkzeugs 20 eine Initialisierungsfahrt zu ermöglichen. Am Wagen 063 wird die Injektionsspritze 32b insbesondere so befestigt, dass die Spritzennadel 33b mit der Nadelführung 34b am patientenseitigen Ende der Profilschienenführung fluchtet.
11a zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Werkzeugvarianten, insbesondere eines Teil-Werkzeugs 20, zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10.
Bevorzugt wird, insbesondere in der Ausführung gemäß 10, in der Spritzenbefestigung eine Trennebene vorgesehen, um ein steriles Verpacken („Drapen“) des Werkzeugs 20 während des chirurgischen Eingriffes zu ermöglichen. Sowohl die Einstichstelle der Injektionsnadel als auch ihre Umgebung muss während eines Eingriffes steril gehalten werden, ebenso wie alle damit in Berührung kommenden Systemkomponenten. Letzteres betrifft insbesondere die Injektionsnadel 32b und die Nadelführung 34b. Da das Werkzeug 20 und die Roboterstruktur 12 auf Grund der enthaltenen Elektronikkomponenten und ihrer komplexen Geometrie generell nicht sterilisierbar sind, ist es bevorzugt sie während des chirurgischen Eingriffes mit einem sterilen Drape zu verpacken. Bevorzugt darf der Ultraschalltransducer 32a entweder während des Eingriffes die Einstichstelle nicht berühren oder muss ebenfalls steril gedraped werden. Somit ist es bevorzugt, dass sich die Injektionsnadel 34a in jedem Fall außerhalb des sterilen Drapes befinden, während sich der Rest des Werkzeugs 20 innerhalb befindet.
11a zeigt eine mögliche Ausgestaltung, insbesondere basierend auf der Ausführung gemäß 10, hierzu, wobei der Wagen 701 und Spritzenbefestigung mit Elementen 702, 703 getrennt ausgeführt sind und wobei die Teile mittels Magneten 704 gekoppelt werden. Zwischen den beiden Magneten 704 kann das sterile Drape unbeschädigt hindurchgeführt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung zu der Ausführung aus 11a gemäß 11b wird im Bereich der Spritzenbefestigung ein Zwischenelement in das sterile Drape eingefügt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Kunststoffrahmen handeln. Je nach Ausgestaltung können das Werkzeug 20, das Zwischenelement und die Spritzenbefestigung 34b über verschiedene, bevorzugt werkzeuglos fixier- und lösbare Mechanismen, bspw. Magnete, Schnappverschlüsse oder Schrauben, verbunden werden. Insbesondere ist diese alternative Lösung zwar technisch aufwändiger aber insbesondere dann vorteilhaft, wenn an dieser Stelle auch eine elektrische Schnittstelle durch das Drape geführt werden soll.
Am Wagen der Linearführung 705, oder bspw. einem anderen im Inneren des Drapes befindlichen Bauteil, sind eine Platine mit mehreren Federkontaktstiften 706 sowie zwei federnde Druckstücke 707 angebracht. Beim Drapen des Systems wird zunächst der in einer Öffnung des Drapes fixierte zweiteilige Kunststoffrahmen mit Elementen 708, 709 auf den Wagen 701 aufgeschoben bis die, bevorzugt leicht abgeschrägten, Seiten des Wagens 701 mit den, ebenfalls bevorzugt leicht abgeschrägte, Seiten der Aussparung im Kunststoffrahmen in Kontakt kommen. Dadurch werden alle Freiheitsgrade außer der horizontalen Translation gesperrt. Durch das Einrasten der Kugeln der federnden Druckstücke 710 in Aussparungen des Kunststoffrahmens wird auch dieser letzte Freiheitsgrad gesperrt. Innerhalb des zweiteiligen Kunststoffrahmens ist bereits vorab eine Platine mit Kontaktpads auf beiden Seiten 711 fixiert. Ebenso wurde in der Nut-Feder Verbindung 712 zwischen den beiden Rahmenteilen bereits vorab das sterile Drape fixiert. Nun kann die Spritzenbefestigung 713 mit der daran angebrachten Platine mit mehreren Federkontaktstiften 714 in horizontaler Richtung in die rechte Aussparung des Kunststoffrahmens geschoben werden bis die, bevorzugt leicht abgeschrägten, Seiten des Wagens 701 mit den, ebenfalls bevorzugt leicht abgeschrägten, Seiten der Aussparung im Kunststoffrahmen in Kontakt kommen. Bei Erreichen der Zielposition rasten die Schnapper 715 in die entsprechenden Aussparungen in 719 ein und blockieren auch die horizontale Translation. Die Fortsätze 716 an den Schnappern 715 erleichtern das Lösen der Spritzenbefestigung vom Kunststoffrahmen.
Bevorzugt ist der aktuierte Mechanismus für den Nadelvorschub mit einem Endeffektorsensor 22b, insbesondere ausgeführt als Kraftsensor, zur Messung der Kraft in Längsrichtung der Injektionsnadel 32b ausgestattet. Hierdurch können unerwartete Gewebebeschaffenheiten, z.B. Narbengewebe, und Kollisionen mit dem Knochen der Wirbelsäule sofort erkannt und das Aufbringen überhöhter Kräfte verhindert werden. Der beschriebene Sensor weist insbesondere mindestens einen Messfreiheitsgrad in Richtung der Nadelachse auf. Es können jedoch auch Sensoren mit mehr Freiheitsgrade verwendet werden, um beispielsweise seitliche Kräfte auf die Nadel in Folge von Patientenbewegungen erkennen zu können. Der Endeffektorsensor 22b kann sich entweder innerhalb oder außerhalb des Drapes befinden. Bei einer Anbringung innerhalb des Drapes ist der Endeffektorsensor 22b insbesondere nicht weiter steril verpackt, allerdings können auf das Drape wirkende Kräfte die Messung beeinträchtigen. Bei einer Anbringung außerhalb des Drapes treten derartige Störungen nicht auf, allerdings sollte der Endeffektorsensor 22b insbesondere steril sein und somit entweder wiederholt sterilisierbar oder ein preisgünstiges Wegwerfprodukt sein. Zudem sollten insbesondere in diesem Fall die Strom- und Kommunikationsleitungen des Endeffektorsensor 22b durch die sterile Barriere geführt werden.
12a zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Werkzeugvariante, insbesondere eines Teil-Werkzeugs 20, mit einem Endeffektor 32b im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10.
Dabei zeigt 12a insbesondere eine preisgünstige Einmalsensorik zur Messung der Nadeleinstichkräfte.
Die eine Nadel 33b aufweisende Injektionssprite 32b wird an der passenden Spritzenhalterung 34b fixiert. Diese ist gegenüber der Befestigung 803 des Endeffektorsensors 22b, insbesondere ausgeführt als Kraftsensors, beweglich gelagert.
In der Ausführung gemäß 12a ist eine Lagerung mit translatorischer Beweglichkeit entlang zweier Führungsstifte 805 umgesetzt. Sobald die Kräfte entlang der Nadelachse die Gewichtskraft von Spritze und Spritzenhalterung übersteigen, kann die Differenz am Endeffektorsensor 22b gemessen werden und/oder anhand der Messwerte des Endeffektorsensor 22b als Momentengleichgewicht um die Drehachse errechnet werden. Sollen bereits Kräfte unterhalb der Gewichtskraft von Spritze und Spritzenhalterung detektiert werden, ist es bevorzugt die Spritzenhalterung gegenüber dem Endeffektorsensor 22b vorzuspannen, beispielsweise über ein federndes Druckstück, wobei insbesondere die Vorspannung über dem erwarteten Maximalgewicht von Spritze und Spritzenhalterung aber deutlich unter der messbaren Maximalkraft des Kraftsensors liegen sollte. Zusätzlich kann insbesondere auf dem Kolben der Spritze mittels eines geeigneten Verbindungselements 807 ein weiterer Endeffektorsensor 808, beispielsweise ein Kraftmesswiderstand, angebracht werden. Dieser misst insbesondere die vom Benutzer 102 auf die Platte 809 aufgebrachten Kräfte und überwacht so den bei der Injektion der Medikamente aufgebrachten Maximaldruck. Der zentrale Vorteil des gezeigten Konzeptes liegt neben seiner prinzipiellen Verwendbarkeit für verschiedene Injektionsanwendungen im günstigen Preis der verwendeten Komponenten: Beispielsweise ist ein Einachs-MEMS-Kraftsensor bereits für ca. 30 € kommerziell erhältlich, geeignete Kraftmesswiderstände für unter 10 €, ein Mikrocontrollerboard zur Auswertung der Sensorsignale ebenfalls für unter 10 €. Somit kann die Spritzenbefestigung mit der integrierten Sensorik als Einmalkomponente ausgeführt werden, was ihre Sterilisierbarkeit vereinfacht.
12b zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Werkzeugvariante, insbesondere eines Teil-Werkzeugs 20, mit einem Endeffektor 32b im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10. Die Ausführung gemäß 12b entspricht der Ausführung aus 12a, wobei in 12b eine Lagerung mit rotatorischer Beweglichkeit um eine Schulterpassschraube 806, anstelle der Lagerung mit translatorischer Beweglichkeit entlang zweier Führungsstifte 805 (12a) umgesetzt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3240251 [0008, 0025]
DE 102018114644 B3 [0009, 0025]
DE 102013019869 A1 [0010, 0025]
DE 102015117213 B4 [0011, 0025]
DE 102016222675 A1 [0012]
EP 2194434 B1 [0013, 0025]
JP 5637883 B2 [0019, 0025]

Claims

Roboterarm (10), insbesondere Hands-On-Roboterarm, mit - einer Roboterstruktur (12), wobei die Roboterstruktur (12) eine mindestens ein Armglied (14) und mindestens ein Gelenk (16) aufweisende Armgliedkette (18) aufweist, und wobei die Roboterstruktur (12) ferner ein mit der Armgliedkette (18) verbundenes Werkzeug (20) zur Verbindung mit mindestens einem Endeffektor (32) aufweist; - mindestens einem Endeffektorsensor (22) zum Erfassen von auf einen mit dem Werkzeug (20) verbundenen Endeffektor (32) einwirkenden Kräften und/oder Momenten; und - mindestens einem Struktursensor (24) zum Erfassen von auf die Roboterstruktur (12) einwirkenden Kräften und/oder Momenten.
Roboterarm (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mindestens einen Endeffektorsensor (22) und/oder dem mindestens einen Struktursensor (24) handelt um: einen Kraftsensor, einen Momentensensor oder einen Kraft-Momenten-Sensor mit zwei bis sechs Freiheitsgraden.
Roboterarm (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Armgliedkette (18) mehrere Armglieder (14) mit jeweils dazwischen angeordneten Gelenken (16) aufweist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch einen Struktursensor (24) zwischen Werkzeug (20) und Armgliedkette (18) zum Erfassen von auf das Werkzeug (20) einwirkenden Kräften und/oder Momenten.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens ein Armglied (14), insbesondere für jedes Armglied (14), ein Struktursensor (24) zum Erfassen von auf das jeweilige Armglied (14) einwirkenden Kräften und/oder Momenten vorgesehen, vorzugsweise mit dem jeweiligen Armglied (14) verbunden, ist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch mindestens einen mit dem Werkzeug (20) lösbar oder nicht lösbar verbundenen Endeffektor (32).
Roboterarm (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Endeffektor (32), insbesondere zwischen jedem Endeffektor (32), und dem Werkzeug (20) ein Endeffektorsensor (22) zum Erfassen von auf das Werkzeug (20) einwirkenden Kräften und/oder Momenten angeordnet ist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch ein zwischen der Armgliedkette und dem Werkzeug (20) angeordnetes Werkzeuginterface (26) zur, insbesondere lösbaren, Verbindung des Werkzeugs (20) mit dem Werkzeuginterface (26).
Roboterarm (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Armgliedkette (18) und dem Werkzeuginterface (26) ein Struktursensor (24) zum Erfassen von auf das Werkzeuginterface (26) einwirkenden Kräften und/oder Momenten angeordnet ist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (23) zur Steuerung des Roboterarms (10), wobei die Steuereinheit (23) eingerichtete ist zum Empfangen und insbesondere Verarbeiten der vom Endeffektorsensor (22) und vom Struktursensor (24) erfassen Kräfte und/oder Momente.
Roboterarm (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Roboterstruktur mindestens eine Virtual Fixture (318), insbesondere zur Beschränkung und/oder Dämpfung der Bewegung des Roboterarms (10), aufweist, wobei die Steuereinheit (23) eingerichtet ist zur Einstellung der mindestens einen Virtual Fixture (318) auf Basis der vom Endeffektorsensor (22) und vom Struktursensor (24) erfassen Kräfte und/oder Momente.
Ultraschallroboter (100) mit einem Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-11, einem mit dem Werkzeug (20) verbundenen Ultraschalltransducer (32a) als Endeffektor (32), und vorzugsweise einer mit dem Werkzeug (20) verbundenen Injektionsnadel (32b) als weiterem Endeffektor (32).
Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms (10), insbesondere eines Roboterarms (10) nach einem der Ansprüche 1-11 oder eines Ultraschallroboters (100) nach Anspruch 12, mit den Schritten: - Erfassen von auf einen Endeffektor (32) des Roboterarms (10) einwirkenden Kräften und/oder Momenten, - Erfassen von auf eine Roboterstruktur (12) des Roboterarms (10) einwirkenden Kräften und/oder Momenten, - Ermittlung, insbesondere Berechnung, von Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomenten des Roboterarms (10) anhand der erfassten Kräfte und/oder Momente.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: - Ausgabe der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente, insbesondere an eine Gesamtregelung des Roboterarms (10).