DE112022002158T5

DE112022002158T5 - Kontrollierter widerstand in rückfahrbaren gelenken

Info

Publication number: DE112022002158T5
Application number: DE112022002158.6T
Authority: DE
Inventors: Goran A. Lynch; Sean Duffy; Will Valladao; Amin Zeiaee
Original assignee: Intuitive Surgical Operations Inc
Current assignee: Intuitive Surgical Operations Inc
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2024-02-29
Also published as: CN116997444A; WO2022221204A1

Abstract

Ein computergestütztes System beinhaltet einen Manipulatorarm mit einem Gelenk, einen zum Antreiben des Gelenks konfigurierten Aktuatormechanismus und eine Steuerung mit einem Computerprozessor. Die Steuerung ist kommunikativ mit dem Manipulatorarm gekoppelt und mit einem ersten Steuermodus und einem zweiten Steuermodus konfiguriert. Sowohl im ersten als auch im zweiten Steuermodus befiehlt die Steuerung dem Aktuatormechanismus, eine externe Artikulation zuzulassen, um den Manipulatorarm durch Rückfahren des Gelenks umzukonfigurieren. Der erste Steuermodus unterscheidet sich vom zweiten Steuermodus zumindest dadurch, dass die Steuerung im ersten Steuermodus zum Geben von Befehlen an den Aktuatormechanismus konfiguriert ist, einen ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand als Reaktion darauf bereitzustellen, dass das Gelenk mit einer ersten Rückfahrgeschwindigkeit oberhalb eines ersten Geschwindigkeitsschwellenwerts rückgefahren wird. Der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand wirkt dem Rückfahren des Gelenks entgegen.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt allgemein verbesserte robotische und/oder medizinische (einschließlich chirurgische) Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zur Verfügung.
Überblick
Ein System von Robotervorrichtungen kann zur Durchführung einer Aufgabe an einem Arbeitsplatz verwendet werden. Beispielsweise können Robotersysteme robotische Manipulatorbaugruppen zum Manipulieren von Instrumenten für die Durchführung der Aufgabe umfassen. Die robotische Manipulatorbaugruppe kann zwei oder mehr Verbindungsglieder umfassen, die durch ein oder mehrere Gelenke miteinander verbunden sind. Die Gelenke können aktive Gelenke sein, die von dem System aktiv bewegt und gesteuert werden. Die Gelenke können auch passive Gelenke sein, die nicht aktiv vom System bewegt und gesteuert werden. Die Gelenke können Drehgelenke, prismatische Gelenke oder andere Gelenke wie z.B. Kugelgelenke sein. Die Konfiguration der robotischen Manipulatorbaugruppe kann durch die Positionen und Orientierungen der Gelenke, die Struktur der robotischen Manipulatorbaugruppe und die Kopplung der Verbindungsglieder bestimmt werden.
Zu Robotersystemen gehören Industrie- und Freizeitrobotersysteme. Zu Robotersystemen gehören auch medizinische Robotersysteme, die bei Diagnoseprozeduren, nicht-chirurgischen Behandlungen, chirurgischen Behandlungen usw. eingesetzt werden. Ein spezifisches Beispiel für Robotersysteme sind minimalinvasive telechirurgische Robotersysteme, bei denen ein Chirurg einen Patienten vom Krankenbett oder von einer entfernten Stelle aus operieren kann. Telechirurgie bezieht sich allgemein auf Operationen, die mit chirurgischen Systemen durchgeführt werden, bei denen der Chirurg eine Form von Fernsteuerung, z.B. einen Servomechanismus, zum Steuern der Bewegungen der chirurgischen Instrumente verwendet, anstatt die Instrumente direkt mit der Hand zu halten und zu bewegen. Ein medizinisches Robotersystem, das für Telechirurgie oder andere telemedizinische Prozeduren verwendet werden kann, kann eine fernsteuerbare robotische Manipulatorbaugruppe enthalten. Der Bediener kann die Bewegung der fernsteuerbaren robotischen Manipulatorbaugruppe fernsteuern. Der Bediener kann Teile des medizinischen Robotersystems auch manuell in Positionen oder Orientierungen innerhalb seiner Umgebung bewegen.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt beziehen sich eine oder mehrere Ausführungsformen auf ein computergestütztes System, das Folgendes umfasst: einen Manipulatorarm mit einem Gelenk, einen Aktuatormechanismus, der zum Antreiben des Gelenks konfiguriert ist, und eine Steuerung mit einem Computerprozessor. Die Steuerung ist kommunikativ mit dem Manipulatorarm gekoppelt und mit einem ersten Steuermodus und einem zweiten Steuermodus konfiguriert. Sowohl im ersten als auch im zweiten Steuermodus befiehlt die Steuerung dem Aktuatormechanismus, eine externe Artikulation zuzulassen, um den Manipulatorarm durch Rückfahren des Gelenks neu zu konfigurieren. Der erste Steuermodus unterscheidet sich vom zweiten Steuermodus zumindest dadurch, dass die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie im ersten Steuermodus dem Aktuatormechanismus befiehlt, einen ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand als Reaktion darauf bereitzustellen, dass das Gelenk mit einer ersten Rückfahrgeschwindigkeit oberhalb eines ersten Geschwindigkeitsschwellenwerts rückgefahren wird. Der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand wirkt dem Rückwärtsfahren des Gelenks entgegen.
In einem Aspekt beziehen sich eine oder mehrere Ausführungsformen auf ein Verfahren zum Betreiben eines Robotersystems, das einen Manipulatorarm und eine Steuerung umfasst. Der Manipulatorarm umfasst ein Gelenk und einen Aktuatormechanismus, der zum Antreiben des Gelenks konfiguriert ist. Die Steuerung ist mit einem ersten Steuermodus und einem zweiten Steuermodus konfiguriert. Das Verfahren beinhaltet: Befehlen, wenn sich die Steuerung sowohl im ersten Steuermodus als auch im zweiten Steuermodus befindet, dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, eine externe Artikulation zuzulassen, um den Manipulatorarm durch Rückfahren des Gelenks neu zu konfigurieren; und Befehlen, wenn sich die Steuerung im ersten Steuermodus befindet, dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, einen ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand als Reaktion darauf bereitzustellen, dass das Gelenk mit einer ersten Rückfahrgeschwindigkeit oberhalb eines ersten Geschwindigkeitsschwellenwerts rückgefahren wird. Der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand wirkt dem Rückfahren des Gelenks entgegen, und der erste Steuermodus unterscheidet sich vom zweiten Steuermodus zumindest durch den ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand.
Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen.
KURZBESCHREIBUNG VON ZEICHNUNGEN

1A zeigt eine Draufsicht auf ein computergestütztes System in einem Szenario einer Roboterprozedur gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
1B zeigt schematisch verschiedene Komponenten des computergestützten Systems, wie das von 1A, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die ein Benutzersteuersystem veranschaulicht, das zur Eingabe von Befehlen für das Szenario einer Roboterprozedur von 1A verwendet werden kann, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hilfssystems, das im Szenario der Roboterprozedur von 1A verwendet werden kann, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
4A zeigt eine perspektivische Ansicht eines robotischen Manipulationssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
4B zeigt eine perspektivische Ansicht eines robotischen Manipulationssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
5 zeigt ein Beispiel für eine Manipulatorbaugruppe gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugs gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
7A und 7B zeigen Steuerarchitekturen zur Steuerung eines computergestützten Systems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
8 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bereitstellung eines kontrollierten Widerstands in rückfahrbaren Gelenken gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beschreibt.
9 zeigt ein Diagramm des Widerstands im Verhältnis zur Geschwindigkeit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Spezifische Ausführungsformen der Offenbarung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben. Gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren sind der Einheitlichkeit halber durch gleiche Bezugszahlen gekennzeichnet.
In der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Offenbarung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründlicheres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Es wird jedoch für die Fachperson ersichtlich sein, dass die Erfindung auch ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden kann. In anderen Fällen wurden bekannte Merkmale nicht im Detail beschrieben, um die Beschreibung nicht unnötig zu verkomplizieren.
In der gesamten Anmeldung können Ordnungszahlen (z.B. erster, zweiter, dritter usw.) als Adjektiv für ein Element (d.h. jedes Substantiv in der Anmeldung) verwendet werden. Durch die Verwendung von Ordnungszahlen soll weder eine bestimmte Reihenfolge der Elemente impliziert oder geschaffen werden, noch soll ein Element darauf beschränkt werden, nur ein einziges Element zu sein, es sei denn, dies wird ausdrücklich angegeben, z.B. mit Begriffen wie „vor“, „nach“, „einzeln“ und anderer derartiger Terminologie. Vielmehr dient die Verwendung von Ordnungszahlen der Unterscheidung zwischen den Elementen. Beispielsweise unterscheidet sich ein erstes Element von einem zweiten Element, und das erste Element kann mehr als ein Element umfassen und dem zweiten Element in der Reihenfolge der Elemente folgen (oder vorangehen).
Obwohl sich einige der hier beschriebenen Beispiele auf chirurgische Prozeduren oder Werkzeuge oder medizinische Prozeduren und medizinische Werkzeuge beziehen, gelten die offenbarten Techniken auch für medizinische und nicht-medizinische Prozeduren und für medizinische und nicht-medizinische Werkzeuge. Beispielsweise können die hier beschriebenen Werkzeuge, Systeme und Verfahren für nicht-medizinische Zwecke verwendet werden, einschließlich industrieller Anwendungen, allgemeiner Roboteranwendungen und dem Erfassen oder Manipulieren von gewebefreien Werkstücken. Andere Anwendungsbeispiele betreffen kosmetische Verbesserungen, die Abbildung von menschlicher oder tierischer Anatomie, die Erfassung von Daten aus menschlicher oder tierischer Anatomie, den Auf- und Abbau des Systems und die Schulung von medizinischem oder nichtmedizinischem Personal. Weitere Anwendungsbeispiele sind die Verwendung für Prozeduren an Gewebe, das aus menschlicher oder tierischer Anatomie entnommen wurde (ohne Rückführung in eine menschliche oder tierische Anatomie), und die Durchführung von Prozeduren an menschlichen oder tierischen Kadavern. Darüber hinaus können diese Techniken auch für medizinische Behandlungs- oder Diagnoseprozeduren verwendet werden, die chirurgische Aspekte beinhalten oder auch nicht.
Im Allgemeinen können Ausführungsformen der Offenbarung die Verwendung der Robotersysteme erleichtern oder den Arbeitsablauf unter verschiedenen Bedingungen verbessern. Zum Beispiel kann das Rückfahren eines Gelenks eines Robotersystems in mehreren verschiedenen Steuermodi des Robotersystems möglich sein. Für einen Benutzer, der das Rückfahren durchführt, kann es von Vorteil sein, ein haptisches Feedback zu erhalten, das es ihm ermöglicht, den aktuellen Steuermodus zu erkennen. Mit anderen Worten, es kann wünschenswert sein, dass das beim Rückfahren gegebene haptische Feedback für verschiedene Steuermodi unterschiedlich ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet das haptische Feedback einen kontrollierten Widerstand, der dem Rückfahren des Gelenks entgegenwirkt. Der kontrollierte Widerstand kann spezifisch für den Steuermodus sein. Beispielsweise kann der kontrollierte Widerstand in einem ersten Steuermodus höher sein als in einem zweiten Steuermodus, so dass der Benutzer den ersten und zweiten Steuermodus ganz oder teilweise auf der Basis des durch die Stärke des Widerstands vermittelten taktilen Gefühls unterscheiden kann. Darüber hinaus kann es auch von Vorteil sein, einen kontrollierten Widerstand bereitzustellen, um ein taktiles Feedback zu geben, das es dem Benutzer ermöglicht, unerwünschte Betriebszustände des Gelenks zu vermeiden. In einer Ausführungsform wird der kontrollierte Widerstand beispielsweise bei einer Geschwindigkeit bereitgestellt, die unter einer Geschwindigkeit liegt, bei der der Aktuatormechanismus aufgrund der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK) des Aktuators des Aktuatormechanismus in die Sättigung gehen würde. In einem solchen Szenario kann ein das Gelenk rückfahrender Benutzer den kontrollierten Widerstand als ein Signal wahrnehmen, das anzeigt, dass ein schnelleres Rückfahren zwar möglich, aber unerwünscht ist. Eine detaillierte Beschreibung des kontrollierten Widerstands in rückfahrbaren Gelenken, einschließlich möglicher Implementierungen und Anwendungen, wird im Folgenden gegeben.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Referenznummern gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten darstellen, zeigt 1A eine Draufsicht auf ein computergestütztes System (100) (im Folgenden System (100)) in einem Szenario einer robotischen Prozedur. Während in 1A das computergestützte System (100) als minimal-invasives chirurgisches Robotersystem dargestellt ist, gilt die folgende Beschreibung auch für computergestützte Systeme in anderen Szenarien, z.B. in nicht-chirurgischen oder nicht-medizinischen Szenarien. In dem Beispiel von 1A wird eine diagnostische oder therapeutische Prozedur an einem Patienten (190) durchgeführt, der auf einem Operationstisch (110) liegt. Das System (100) kann ein Benutzersteuersystem (120) zur Verwendung durch einen Benutzer (192) (z.B. einen Kliniker wie einen Chirurgen in einem medizinischen Beispiel) während der Prozedur umfassen. Ein oder mehrere Assistenten (194) können ebenfalls an der Prozedur teilnehmen. Das System (100) kann ferner ein robotisches Manipulationssystem (130) (z.B. eine patientenseitige Robotervorichtung in einem medizinischen Beispiel) und ein Hilfssystem (140) beinhalten. Das robotische Manipulationssystem (130) kann mindestens einen Manipulatorarm (150) aufweisen, von denen jeder ein abnehmbar gekoppeltes Werkzeug (160) (auch Instrument (160) genannt) tragen kann. In der in 1A dargestellten medizinischen Prozedur kann das Werkzeug (160) durch eine natürliche Öffnung, wie den Mund oder den Anus, oder durch einen Einschnitt, wie einen Einschnitt in einer Körperwand, wie der Bauchdecke, in den Körper des Patienten (190) eindringen, während der Benutzer (192) den Arbeitsbereich (z.B. eine chirurgische Stelle in dem chirurgischen Szenario) durch das Benutzersteuersystem (120) betrachtet. Ein Bild des Arbeitsbereichs kann mittels eines Werkzeugs (160) erhalten werden, das eine Bildgebungsvorrichtung (z.B. ein Endoskop, eine optische Kamera, eine Ultraschallsonde usw.) umfasst, die zur Abbildung des Arbeitsbereichs verwendet und die durch das robotische Manipulationssystem (130) so manipuliert werden kann, dass die Bildgebungsvorrichtung positioniert und orientiert wird. Das Hilfssystem (140) kann zum Verarbeiten der Bilder des Arbeitsbereichs verwendet werden, um sie dem Benutzer (192) über das Benutzersteuersystem (120) oder andere lokal oder entfernt von der Prozedur befindliche Anzeigesysteme anzuzeigen. Die Anzahl der gleichzeitig verwendeten Werkzeuge (160) hängt im Allgemeinen unter anderem von der Aufgabe und den Platzverhältnissen ab. Wenn es angebracht ist, eines oder mehrere der während einer Prozedur verwendeten Werkzeuge (160) zu wechseln, zu reinigen, zu inspizieren oder neu zu laden, kann ein Assistent (194) das Werkzeug (160) vom Manipulatorarm (150) entfernen und es durch dasselbe Werkzeug (160) oder ein anderes Werkzeug (160) ersetzen. Werkzeuge (160) können auf einem Tablett (162) oder einer anderen Art von Werkzeugaufbewahrung gelagert werden.
1B zeigt schematisch ein System (102) eines computergestützten Systems (100). Wie bereits erwähnt, kann das computergestützte System (100) ein computergestütztes medizinisches System, wie z.B. ein chirurgisches Robotersystem, oder ein nicht-medizinisches System, wie z.B. ein computergestütztes Industrie- oder Freizeitsystem, sein. Das System (102) kann ein oder mehrere Rechensysteme (142) beinhalten. Ein Computersystem (142) kann zum Verarbeiten von vom Benutzersteuerungssystem (120) von einem Benutzer bereitgestellten Eingaben verwendet werden. Ein Computersystem (142) kann ferner zum Bereitzustellen einer Ausgabe, z.B. ein Videobild, auf dem Display (144) verwendet werden. Ein oder mehrere Rechensysteme (142) können ferner zum Steuern des robotischen Manipulationssystems (130) verwendet werden.
Ein Rechensystem (142) kann einen oder mehrere Computerprozessoren, einen nicht-persistenten Speicher (z.B. flüchtigen Arbeitsspeicher wie RAM, Cache-Arbeitsspeicher), einen persistenten Speicher (z.B. eine Festplatte, ein optisches Laufwerk wie ein CD-Laufwerk oder ein DVD-Laufwerk, einen Flash-Arbeitsspeicher usw.), eine Kommunikationsschnittstelle (z.B. eine Bluetooth-Schnittstelle, eine Infrarotschnittstelle, eine Netzwerkschnittstelle, eine optische Schnittstelle usw.) und zahlreiche andere Elemente und Funktionalitäten umfassen.
Ein Computerprozessor eines Rechensystems (142) kann eine integrierte Schaltung zur Verarbeitung von Befehlen sein. Der Computerprozessor kann zum Beispiel ein oder mehrere Kerne oder Mikrokerne eines Prozessors sein. Das Rechensystem (142) kann auch ein oder mehrere Eingabevorrichtungen enthalten, wie z.B. einen Touchscreen, eine Tastatur, eine Maus, ein Mikrofon, ein Touchpad, einen elektronischen Stift oder jede andere Art von Eingabevorrichtung.
Eine Kommunikationsschnittstelle eines Rechensystems (142) kann eine integrierte Schaltung zum Verbinden des Rechensystems (142) mit einem (nicht gezeigten) Netzwerk (z.B. einem lokalen Netzwerk (LAN), einem Weitverkehrsnetzwerk (WAN) wie dem Internet, einem mobilen Netzwerk oder einer anderen Art von Netzwerk) und/oder mit einer anderen Vorrichtung, wie einem anderen Rechensystem (142), umfassen.
Des Weiteren kann das Rechensystem (142) ein oder mehrere Ausgabevorrichtungen enthalten, wie z.B. eine Anzeigevorrichtung (z.B. eine Flüssigkristallanzeige (LCD), ein Plasmadisplay, einen Touchscreen, eine organische LED-Anzeige (OLED), einen Projektor oder eine andere Anzeigevorrichtung), einen Drucker, einen Lautsprecher, einen externen Speicher oder eine andere Ausgabevorrichtung. Eine oder mehrere der Ausgabevorrichtungen können mit der/den Eingabevorrichtung(en) identisch oder davon verschieden sein. Es gibt viele verschiedene Arten von Rechensystemen, und die oben genannte(n) Eingabe- und Ausgabevorrichtung(en) kann/können andere Formen annehmen.
Software-Befehle in Form von computerlesbarem Programmcode zur Durchführung von Ausführungsformen der Offenbarung können ganz oder teilweise, vorübergehend oder dauerhaft auf einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium wie einer CD, DVD, einer Speichervorrichtung, einer Diskette, einem Band, einem Flash-Arbeitsspeicher, einem physischen Arbeitsspeicher oder einem anderen computerlesbaren Speichermedium gespeichert werden. Insbesondere können die Software-Befehle einem computerlesbaren Programmcode entsprechen, der bei Ausführung durch einen oder mehrere Prozessoren zum Durchführen einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung konfiguriert ist.
Ein Rechensystem (142) kann mit einem Netzwerk verbunden oder Teil eines solchen sein. Das Netzwerk kann mehrere Knoten beinhalten. Jeder Knoten kann einem Rechensystem (142) oder einer Gruppe von Knoten entsprechen. Beispielsweise können Ausführungsformen der Offenbarung auf einem Knoten eines verteilten Systems implementiert werden, das mit anderen Knoten verbunden ist. Als weiteres Beispiel können Ausführungsformen der Erfindung auf einem verteilten Rechensystem mit mehreren Knoten implementiert werden, wobei sich jeder Teil der Offenbarung auf einem anderen Knoten innerhalb des verteilten Rechensystems befinden kann. Darüber hinaus können sich ein oder mehrere Elemente des vorgenannten Rechensystems (142) an einem entfernten Ort befinden und mit den anderen Elementen über ein Netzwerk verbunden sein.
Das robotische Manipulationssystem (130) kann ein Werkzeug (160) verwenden, das eine Bildgebungsvorrichtung umfasst (z.B. ein monoskopisches oder stereoskopisches Endoskop, eine Ultraschallsonde in einem medizinischen Beispiel), um Bilder des Arbeitsbereichs aufzunehmen und die aufgenommenen Bilder an ein Hilfssystem (140) auszugeben. Ähnlich wie andere Werkzeuge (160), hat ein Werkzeug mit einer Bildgebungsvorrichtung eine mechanische Schnittstelle (nicht gezeigt), über die die Bildgebungsvorrichtung mit dem Manipulatorarm (150) gekoppelt werden kann. Die mechanische Schnittstelle verschiedener Werkzeuge (160), z.B. des Werkzeugs mit der Bildgebungsvorrichtung, kann gleich sein oder sich voneinander unterscheiden. Dementsprechend kann gegebenenfalls ein mechanischer Adapter verwendet werden, um ein Werkzeug (160) mit dem Manipulatorarm (150) zu koppeln. Alternativ kann ein bestimmtes Werkzeug (160), z.B. ein spezielles Bildgebungswerkzeug, an einem Manipulatorarm (150) angebracht werden, der speziell für die Aufnahme solcher Werkzeuge (160) ausgelegt ist. Das Hilfssystem (140) kann die aufgenommenen Bilder vor der anschließenden Anzeige auf verschiedene Weise verarbeiten. Beispielsweise kann das Hilfssystem (140) die aufgenommenen Bilder mit einer virtuellen Steuerschnittstelle überlagern, bevor die kombinierten Bilder dem Benutzer über das Benutzersteuersystem (120) angezeigt werden. Das robotische Manipulationssystem (130) kann die aufgenommenen Bilder zur Verarbeitung außerhalb des Hilfssystems (140) ausgeben. Ein oder mehrere separate Displays (144) können auch mit einem Rechensystem (142) und/oder dem Hilfssystem (140) gekoppelt werden, um Bilder, wie z.B. Bilder der Eingriffsstelle oder andere verwandte Bilder, lokal und/oder aus der Ferne anzuzeigen.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Benutzersteuersystems (120), das als Teil des computergestützten Systems (100) verwendet werden kann. Das Benutzersteuersystem (120) beinhaltet eine Anzeige (202) für das linke Auge und eine Anzeige (204) für das rechte Auge, um dem Benutzer (192) (in 1A gezeigt) eine koordinierte Stereoansicht des Arbeitsbereichs zu präsentieren, die eine Tiefenwahrnehmung ermöglicht. Das Benutzersteuersystem (120) beinhaltet ferner zwei Eingabesteuervorrichtungen (210), die ihrerseits das (in 1A gezeigte) robotische Manipulationssystem (130) veranlassen, ein oder mehrere Werkzeuge zu manipulieren. 2 zeigt zwar das Benutzersteuersystem (120) in Form einer Konsole, eines integrierten Displays und mechanisch mit der Konsole verbundenen Eingabesteuervorrichtungen (210), aber andere Implementationen des Benutzersteuersystems (120) können auch Systeme in anderen Formaten umfassen. Beispielsweise können Benutzersteuersysteme physisch getrennte Displays, ein, zwei, drei oder mehr Eingabesteuervorrichtungen (210) und/oder Eingabesteuervorrichtungen (210) umfassen, die nicht mechanisch mit dem Rest des Benutzersteuersystems verbunden sind.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hilfssystems (140). Das Hilfssystem (140) kann kommunikativ mit einer oder mehreren Bildgebungsvorrichtungen gekoppelt sein, die ein oder mehrere Werkzeuge (160) umfassen, und kann einen Prozessor (nicht gezeigt) beinhalten, um aufgenommene oder empfangene Bilder für die Anzeige zu verarbeiten, wie z.B. auf einem Display eines Benutzersteuersystems (120) oder auf einem anderen lokal und/oder entfernt befindlichen geeigneten Display. Wenn beispielsweise eine stereoskopische oder tiefenfähige Bildgebungsvorrichtung verwendet wird, kann das Hilfssystem (140) die aufgenommenen Bilder zum Präsentieren von koordinierten Stereobildern oder tiefenverstärkten Bildern des Arbeitsbereichs verarbeiten.
4A zeigt ein robotisches Manipulationssystem (130) mit mehreren Manipulatorarmen (150), wobei jeder Manipulatorarm (150) zum Tragen eines Werkzeugs (160) an einem distalen Abschnitt des Manipulatorarms (150) konfiguriert ist. Das dargestellte robotische Manipulationssystem (130) beinhaltet vier Manipulatorarme (150), von denen jeder zum Tragen eines oder mehrerer Werkzeuge verwendet werden kann. Eine detailliertere Beschreibung eines Manipulatorarms (150) wird im Folgenden mit Bezug auf 5 gegeben, und eine detailliertere Beschreibung eines Werkzeugs (160) wird im Folgenden mit Bezug auf 6 gegeben. In minimal-invasiven medizinischen Beispielen können die Werkzeuge (160) durch eine Öffnung, wie z.B. natürliche Öffnungen oder Einschnitte im Patienten, so positioniert und manipuliert werden, dass ein kinematischer Fernmittelpunkt am Einschnitt beibehalten wird; dies kann dazu beitragen, die erforderliche Größe der Öffnung, Kollisionen oder Kräfte, die auf das eine Öffnung umgebende Gewebe einwirken, usw. zu reduzieren. Bilder des Arbeitsbereichs können Bilder der distalen Enden der Werkzeuge (160) umfassen, wenn die Werkzeuge (160) innerhalb des Sichtfeldes einer Bildgebungsvorrichtung positioniert sind, die ein Werkzeug (160) umfasst.
Es kann eine Vielfalt von Werkzeugen (160) unterschiedlicher Art und mit unterschiedlichen Endeffektoren (für Werkzeuge mit Endeffektoren) verwendet werden. Eines oder mehrere der Werkzeuge (160) können während einer Prozedur entfernt und/oder ersetzt werden.
In minimal-invasiven chirurgischen Szenarien ermöglicht ein länglicher Schaft eines Werkzeugs (160), dass die Endeffektoren und das distale Ende des Schafts distal in einen chirurgischen Arbeitsbereich durch eine minimalinvasive Öffnung, wie z.B. eine natürliche Öffnung oder einen Einschnitt, eingeführt werden können. Der chirurgische Arbeitsbereich kann insuffliert werden. Bewegungen der Endeffektoren innerhalb des Patienten erfolgen häufig, zumindest teilweise, durch Schwenken des Werkzeugs (160) um die Stelle, an der der Schaft durch die minimal-invasive Öffnung geführt wird. Dementsprechend können die Manipulatorarme (150) den proximalen Teil des Werkzeugs (160) außerhalb des Patienten bewegen, so dass sich der Schaft durch die minimal-invasive Öffnung erstreckt, um eine gewünschte Bewegung des Endeffektors zu ermöglichen. Folglich können die Manipulatorarme (150) außerhalb des Patienten bewegt werden.
4B zeigt ein robotisches Manipulationssystem (170), das zum Tragen von Werkzeugen (172) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen konfiguriert ist. Jedes der Werkzeuge (172) ist an einem Manipulatorarm (176) montiert, der an einem Tragarm (178) angeordnet ist. In einem medizinischen Szenario kann eine sterile Barriere (in 4B nicht gezeigt) mit einem Abdecktuch und Instrumentenadaptern zwischen einem Patienten (nicht gezeigt) und dem Tragarm (178) angeordnet sein. Der Stützarm (178) und die Manipulatorarme (176) können somit außerhalb einer sterilen Umgebung für den Patienten angeordnet sein, während die Werkzeuge (172) innerhalb der sterilen Umgebung angeordnet sind.
Wie die in Verbindung mit 4A erörterten Werkzeuge (160), können die Werkzeuge (172) in ihrer Struktur und ihrem Zweck variieren, sie können jedoch abnehmbar, ersetzbar und/oder austauschbar sein. Jedes Werkzeug (172) weist im Allgemeinen einen Endeffektor (180) und einen Schaft (182) auf. Die Endeffektoren (180) können unterschiedlich gestaltet sein, um verschiedene Funktionen zu realisieren, einschließlich der in Verbindung mit 6 beschriebenen. Die Manipulatorarme (176) können Aktuatoren wie Antriebsmotoren enthalten, die mechanische Leistung zur Betätigung mechanischer Strukturen in den Werkzeugen (172) bereitstellen.
5 zeigt ein Beispiel für eine Manipulatorbaugruppe (500) gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Eine Manipulatorbaugruppe (500) beinhaltet einen Manipulatorarm (502) und kann ferner ein am Manipulatorarm (502) montiertes Werkzeug umfassen (5 zeigt nur eine Achse des Werkzeugs (z.B. 520), nicht aber das Werkzeug selbst). Daher kann der Begriff „Manipulatorbaugruppe (500)“ in einigen Fällen für den Manipulatorarm (502) mit dem Werkzeug und in anderen Fällen für den Manipulatorarm (502) ohne das Werkzeug verwendet werden. Die Manipulatorbaugruppe (500) kann weitere Komponenten enthalten. Wie oben beschrieben, trägt der Manipulatorarm (502) während des Betriebs im Allgemeinen ein Werkzeug (520) und führt Bewegungen des Werkzeugs (520) aus. In dem in 5 gezeigten Beispiel umfasst der Manipulatorarm (502) einen Werkzeughalter (514), um Entfernung und Austausch eines oder mehrerer Werkzeuge (520) zu erleichtern.
Wie mit Bezug auf 4A und 4B zu verstehen ist, sind in einigen Ausführungsformen die Manipulatorarme (z.B. (502), andere Manipulatorarm-Designs) proximal an einer Basis des Manipulationssystems (z.B. (130), (170)) montiert. Alternativ können Manipulatorarme (502) an separaten Basen montiert werden, die unabhängig voneinander beweglich sein können; beispielsweise können ein oder mehrere Manipulatorarme (502) an Einzelmanipulatorarm-Wagen montiert werden, mit Befestigungsstrukturen zur direkten oder indirekten Montage an einem Operationstisch oder an einer oder mehreren Stellen (z.B. durch Festklemmen an einer Schiene oder einer anderen Komponente, durch Montieren an der Wand oder am Boden, usw.) Typischerweise beinhaltet ein Manipulatorarm (502) mehrere Verbindungsglieder und assoziierte Gelenke, die sich zwischen der proximalen Basis und dem distalen Teil des Manipulatorarms (502) erstrecken.
In Ausführungsformen, wie sie beispielsweise in 5 gezeigt sind, beinhaltet der Manipulatorarm (502) ein oder mehrere Gelenke (wie die Drehgelenke J1, J2, J3, J4 und J5 sowie das prismatische Gelenk J6), die ein oder mehrere Verbindungsglieder (504, 506, 508 und 510) koppeln. Ein Verbindungsglied (510) des Manipulatorarms (502) kann zum Koppeln mit einer Kanüle (516) konfiguriert sein, durch die sich der Schaft des Werkzeugs (520) erstreckt, und das Verbindungsglied (510) kann einen Werkzeughalter (514) aufweisen, an dem das Werkzeug angebracht ist. In dem in 5 gezeigten Beispiel erfolgt die Betätigung der Freiheitsgrade des Werkzeugs (520) durch Aktuatoren des Manipulatorarms (502). Diese Aktuatoren können in den Werkzeughalter (514) integriert sein, oder ihre Antriebskräfte oder Drehmomente können über den Werkzeughalter (514) auf das Werkzeug (520) übertragen werden.
Die Gelenke des Manipulatorarms können in ihrer Kombination den Manipulatorarm mit redundanten Freiheitsgraden ausstatten oder nicht. Ein Manipulatorarm mit einem oder mehreren redundanten Freiheitsgraden hat mehrere Gelenke, so dass die mehreren Gelenke in einen Bereich unterschiedlicher Konfigurationen für eine gegebene Position und/oder Orientierung eines Teils des Manipulatorarms oder eines abstrakten Merkmals in Bezug auf einen Teil des Manipulatorarms (z.B. ein entferntes Bewegungszentrum (PP) an einem Ort, der relativ zu einem distalen Teil des Manipulatorarms definiert ist) bewegt werden können. Zum Beispiel kann ein Manipulatorarm in verschiedene Konfigurationen manövriert werden, während ein Endeffektor eines Werkzeugs, der mit dem Werkzeughalter, einem entfernten Bewegungszentrum und/oder einem anderen Merkmal gekoppelt ist, einen bestimmten Zustand beibehält. Beispiele für Zustände, die beibehalten werden, sind eine bestimmte Position, Orientierung und/oder Geschwindigkeit des Endeffektors.
6 zeigt ein Beispiel für ein Werkzeug (600) (auch Instrument (600) genannt) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Werkzeug (600) weist eine Welle (610) und einen Endeffektor (640) auf, der sich nahe einem ersten Ende der Welle (610) befindet. Ein Gehäuse (630), das so angeordnet ist, dass es das Werkzeug (600) lösbar mit einem Manipulatorarm (z.B. Manipulatorarm (150, 176, 502)) koppelt, befindet sich an einem gegenüberliegenden Ende der Welle (610). In der dargestellten Implementation hat der Endeffektor (640) sechs Bewegungsfreiheitsgrade relativ zum Gehäuse (630). Im Einzelnen können die sechs Freiheitsgrade Folgendem entsprechen: Nick- und Gierdrehungen eines Teils des Endeffektors (640) um zwei jeweilige lotrechte Achsen (641) und (642), die mit einem ersten Gelenk oder Handgelenkmechanismus (651) assoziiert sind; Nick- und Gierdrehungen oder Bewegung von Backen (652) relativ zu zwei jeweiligen lotrechten Achsen (643) und (644), die mit einem zweiten Gelenk- oder Handgelenkmechanismus (620) assoziiert sind; Öffnungs- oder Schließbewegung (653) von Backen (652) zur „Griff”-Betätigung; und „Roll“-Drehungen (692) des Instrumentenschafts (610) um seine Einsetzachse (612). In dem gezeigten Beispiel ist die Einsetzachse parallel zu einer Mittelachse des Instrumentenschafts (610). Andere Werkzeuge können mehr, weniger oder andere Bewegungsfreiheitsgrade haben als das in 6 gezeigte Werkzeug, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Das Werkzeug (600) ist zum lösbaren Montieren an einem Manipulatorarm konzipiert. Der Manipulatorarm weist ein prismatisches Gelenk (J6) auf, das angetrieben werden kann, um das am Werkzeughalter montierte Werkzeug entlang einer Achse zu verschieben, die eine Ein- und Ausfahrachse oder eine Einsetzachse (612) sein kann. Das Gehäuse (630) kann physische Eingabeelemente enthalten, die drehbar oder verschiebbar sind, um Gelenke des Werkzeugs (600) anzutreiben. Ein Beispiel hierfür ist in US-Pat. Nr. 6,394,998 , mit dem Titel „Surgical Tools for Use in Minimal Invasive Telesurgical Applications“ beschrieben. Der Manipulatorarm (z.B. 150, 176, 502) kann Antriebselemente wie Scheiben oder Schieber oder Vorsprünge zum Koppeln mit den physikalischen Eingangselementen enthalten, um das Werkzeug (600) anzutreiben. Die Antriebselemente können durch Aktuatoren, z.B. Elektromotoren, angetrieben werden, die auf Eingaben von den assoziierten Eingabesteuervorrichtungen (z.B. Eingabesteuervorrichtungen (210) in 2) reagieren, um das Werkzeug (600) entsprechend der Bewegung der Eingabesteuervorrichtungen (210) oder eines anderen Steuersignals anzutreiben, um z.B. den Endeffektor (640) in eine gewünschte Orientierung und/oder Position zu bewegen. Außerdem können entsprechend positionierte Sensoren, z.B. Encoder, Potentiometer usw., vorgesehen werden, um die Messung der Gelenkpositionen des Werkzeugs (600) oder des Manipulatorarms (z.B. (150), (176), (502)) zu ermöglichen. Die Aktuatoren und Sensoren können im Werkzeug (600), im Werkzeughalter (z.B. 514), im Manipulatorarm (z.B. (150), (176), (502)) oder an anderer Stelle angeordnet sein.
Verschiedene Werkzeuge (600) können nicht mit Endeffektoren oder mit verschiedenen Endeffektoren (640) mit verschiedenen Geometrien (z.B. verschiedenen Formen oder Größen), verschiedenen Freiheitsgraden und/oder verschiedenen Funktionen ausgestattet sein. Ein Endeffektor kann einen einzelnen Finger oder zwei oder mehr Finger haben. Beispiele für Endeffektoren mit einem einzelnen Finger sind, ohne Beschränkung, Skalpelle, Kauterelektroden, Spül- oder Saugvorrichtungen, Endoskope (mit oder ohne Handgelenk) usw. Beispiele für Endeffektoren mit zwei Fingern sind, ohne Beschränkung, Pinzetten, Klammerapplikatoren, Scheren, Sezierwerkzeuge, Zangen, Greifer, Kauterwerkzeuge mit Backen, Nadeltreiber usw. oder ähnliches. Die Finger des Endeffektors (640) können einzeln winkelverschiebbar sein, wodurch nicht nur ein Öffnen und Schließen des Endeffektors ermöglicht wird, sondern auch eine Winkelverschiebung, um die Orientierung des Endeffektors (640) als Ganzes relativ zu einem anderen Teil des Werkzeugs (z.B. dem Handgelenkmechanismus (620, 651), der Welle (610) usw.) zu ändern.
Während 1A, 1B, 2, 3, 4A, 4B, 5 und 6 verschiedene physische Konfigurationen von Komponenten von beispielhaften computergestützten Systemen zeigen, können auch andere Konfigurationen verwendet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Während beispielsweise eine bestimmte Konfiguration eines robotischen Manipulationssystems mit Manipulatorarmen gezeigt wird, lassen sich Ausführungsformen der Offenbarung auf jede Art von robotischen Manipulationssystem verallgemeinern und sind darauf anwendbar, z.B. mit einem einzelnen Manipulatorarm, der ein einzelnes Werkzeug hält, mit einem einzelnen Manipulatorarm, der mehrere Werkzeuge hält, usw. Ein weiteres Beispiel ist, dass die von einer einzelnen Komponente ausgeführte Funktionalität von zwei oder mehr Komponenten ausgeführt werden kann. Dazu kommt, auch wenn die Komponenten im Zusammenhang mit chirurgischen Szenarien beschrieben werden, können Ausführungsformen der Offenbarung gleichermaßen auf andere Bereiche anwendbar sein, die robotergestützte Manipulation beinhalten.
7A zeigt ein Beispiel für eine Steuerarchitektur zur Steuerung einer Manipulatorbaugruppe mit einem Manipulatorarm, an dem ein Werkzeug montiert sein kann, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Fachperson wird verstehen, dass auch andere Steuerarchitekturen verwendet werden können, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Ferner werden in der dargestellten Steuerarchitektur bestimmte Signale (z.B. Positionen) zwischen Blöcken der Steuerarchitektur ausgetauscht. Es können auch andere Signale (z.B. Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräfte usw.) verwendet werden, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Außerdem kann die Steuerarchitektur einen, zwei, drei oder mehr verschiedene Modi implementieren (nicht gezeigt). Beispielsweise wird in einem „Folgemodus“ eine Aufgabe von einer Manipulatorbaugruppe unter von einem Benutzer bedienter Fernsteuerung von Eingabesteuervorrichtungen (210) ausgeführt, wie in 2 gezeigt. Das/die Gelenk(e) der robotischen Manipulatorbaugruppe kann/können positionsgesteuert, geschwindigkeitsgesteuert usw. sein und kann/können je nach dem physischen Design der Manipulatorbaugruppe und dem Steuerschema rückfahrbar sein oder nicht. Ein weiteres Beispiel: In einem „Werkzeugwechsel“-Modus können ein oder mehrere Gelenke einer Manipulatorbaugruppe „schwimmend“ sein, so dass ein Assistent diese ein oder mehreren Gelenke leicht von außen bewegen kann, z.B. durch Rückfahren dieser ein oder mehreren Gelenke. Ein schwimmendes Gelenk kann durch eine von außen aufgebrachte Kraft rückgefahren werden, ohne dass ein Steueralgorithmus oder eine Bremskraft dem Rückfahren entgegenwirkt. Ein weiteres Beispiel: In einem „Kupplungs“-Modus können ein oder mehrere aktive Gelenke einer Manipulatorbaugruppe schwimmend gelagert sein, indem sie so gesteuert werden, dass sie einer externen Manipulation nachgeben. Als spezifisches Beispiel kann in einem „Kupplungsmodus“ eine befohlene Position für ein schwimmendes Gelenk regelmäßig auf die aktuelle Position aktualisiert werden, um eine externe Manipulation zu unterstützen.
Es können verschiedene Arten von „Folge“-, „Werkzeugwechsel“-, „Kupplungs“- oder anderen Modi implementiert werden. Zum Beispiel, in einer Ausführungsform der Offenbarung lässt das System in einem Kupplungsmodus ein oder mehrere Gelenke des Manipulatorarms schwimmen, so dass von außen aufgebrachte Kräfte auf den Manipulatorarm ein fernes Zentrum des Manipulatorarms relativ zu einem Weltreferenzrahmen leicht bewegen, und der Manipulatorarm wird nicht gesteuert, um gleichzeitig eine Position des Endeffektors relativ zum Weltreferenzrahmen zu halten. Als ein anderes Beispiel, in einer anderen Ausführungsform der Offenbarung steuert das System in einem Kupplungsmodus ein oder mehrere Gelenke eines Manipulatorarms so, dass von außen auf den Manipulatorarm ausgeübte Kräfte leicht ein entferntes Zentrum des Manipulatorarms relativ zu einem Weltreferenzrahmen bewegen, während eine Bewegung des Werkzeugs oder Endeffektors relativ zum Weltreferenzrahmen verhindert wird. Ein System kann eine beliebige Kombination von rückfahrbaren oder nicht rückfahrbaren Modi implementieren, einschließlich eines oder mehrerer der oben beschriebenen Modi und zusätzlicher Modi, ohne von der Offenbarung abzuweichen.
Ein Benutzer kann eine Kraft auf ein distales Verbindungsglied des schwimmenden Gelenks ausüben, wodurch das schwimmende Gelenk rückgefahren wird. Ein schwimmendes Gelenk kann so gesteuert werden, dass es Schwerkraftkompensation, Reibungskompensation und/oder andere Charakteristiken, wie z.B. ein bestimmtes Maß an Dämpfung, bietet.
Während des Betriebs einer Manipulatorbaugruppe kann auch ein kombinierter Steuermodus implementiert werden. Beispielsweise können in einem Steuermodus einige Gelenke positionsgesteuert werden, um einer externen Artikulation dieser Gelenke zu widerstehen oder sich davon zurückzustellen, während andere Gelenke schwimmend gelagert sein können und die externe Artikulation dieser anderen Gelenke erleichtern. Auch können ein oder mehrere Gelenke der Manipulatorbaugruppe passiv sein, d.h. überhaupt nicht positions- oder geschwindigkeitsgesteuert (aber evtl. mit ganz oder teilweise angezogenen Bremsen). Passive Gelenke können manuell betätigt werden. Gelenke können auch Gelenksensoren enthalten, so dass die gesamte Kinematik der Manipulatorbaugruppe erhalten werden kann. In einigen Ausführungsformen können passive Gelenke Aktuatoren für Schwerkraftkompensation, Reibungskompensation oder für andere Zwecke enthalten, die nicht den aktiven Antrieb der Bewegung des passiven Gelenks umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen werden die Gelenkbewegungen der Manipulatorbaugruppe durch Antreiben eines oder mehrerer Gelenke durch eine Steuerung mittels Befehlen an Aktuatoren (z.B. Motoren, Solenoide usw.) der Manipulatorbaugruppe gesteuert, wobei die Gelenkbewegungen von einem Prozessor der Steuerung berechnet werden. Mathematisch gesehen, kann die Steuerung zumindest einige der Berechnungen der Gelenkbefehle anhand von Vektoren und/oder Matrizen durchführen, von denen einige Elemente haben können, die Positionen, Geschwindigkeiten und/oder Kräften/Drehmomenten usw. der Gelenke entsprechen. Der Bereich der dem Prozessor zur Verfügung stehenden alternativen Gelenkkonfigurationen kann als Gelenkraum konzipiert werden. Der Gelenkraum kann zum Beispiel so viele Dimensionen haben, wie die Manipulatorbaugruppe Freiheitsgrade hat, und eine bestimmte Konfiguration der Manipulatorbaugruppe kann einen bestimmten Punkt im Gelenkraum darstellen, wobei jede Koordinate einem Gelenkzustand eines assoziierten Gelenks der Manipulatorbaugruppe entspricht.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Zustand“ eines Gelenks oder mehrerer Gelenke auf die mit dem/den Gelenk(en) assoziierten Steuervariablen. Beispielsweise kann sich der Zustand eines Winkelgelenks auf den Winkel, den dieses Gelenk innerhalb seines Bewegungsbereichs einnimmt, auf die Winkelgeschwindigkeit des Gelenks und/oder auf die Winkelbeschleunigung des Gelenks beziehen. In ähnlicher Weise kann sich der Zustand eines axialen oder prismatischen Gelenks auf die axiale Position des Gelenks, auf seine axiale Geschwindigkeit und/oder seine axiale Beschleunigung beziehen. Eine oder mehrere der hier beschriebenen Steuerungen umfassen zwar Positionssteuerungen, haben aber oft auch Geschwindigkeitsregelungsaspekte. Alternative Ausführungsformen können sich hauptsächlich oder vollständig auf Geschwindigkeitsregler, Kraftregler, Beschleunigungsregler usw. stützen, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Viele Aspekte von Steuersystemen, die in solchen Vorrichtungen verwendet werden können, sind ausführlicher im US-Pat. Nr. 6,699,177 beschrieben, dessen vollständige Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Solange die beschriebenen Bewegungen auf den assoziierten Berechnungen basieren, können die hier beschriebenen Berechnungen der Bewegungen der Gelenke und der Bewegungen eines Endeffektors mittels eines Positionssteueralgorithmus, eines Geschwindigkeitssteueralgorithmus, einer Kombination aus beiden usw. durchgeführt werden.
Die Steuerarchitektur (700A) von 7A beinhaltet eine Steuerung (710), die Aktuatormechanismen (790) der Manipulatorbaugruppe auf der Basis einer befohlenen Bewegung (720) antreibt. Es kann eine beliebige Anzahl von Aktuatormechanismen (790) angetrieben werden. Ein Aktuator kann in Kombination mit anderen Elementen wie Sensoren oder Zahnrädern, Riemenscheiben und Kabeln oder Drähten und/oder anderen Übertragungselementen usw. einen Aktuatormechanismus eines Gelenks bilden, und der Gelenkzustand kann durch Betätigung durch den Aktuatormechanismus geändert werden.
Die befohlene Bewegung (720) kann eine befohlene Position und/oder Geschwindigkeit von einem oder mehreren Merkmalen im Arbeitsraum sein, der im kartesischen Koordinatenraum (hier als kartesischer Raum bezeichnet) modelliert werden kann. Die befohlene Bewegung (720) kann beispielsweise ein vom Benutzersteuersystem (120) empfangener Bewegungsbefehl (z.B. in Form einer Position und/oder Geschwindigkeit) oder ein beliebiger anderer Bewegungsbefehl für ein oder mehrere Merkmale des Manipulatorarms oder eines mit dem Manipulatorarm gekoppelten Werkzeugs oder ein Bezug darauf sein. Ein Merkmal kann ein beliebiges Merkmal sein, das sich physisch auf der Manipulatorbaugruppe befindet, oder eine Abstraktion, die sich physisch nicht auf die Manipulatorbaugruppe bezieht (z.B. ein Punkt oder eine Ebene, die sich auf die Manipulatorbaugruppe bezieht) und die zur Definition eines Steuerrahmens verwendet werden kann, der mittels Steuereingaben artikuliert werden soll. Beispiele für Merkmale an der Manipulatorbaugruppe sind Merkmale eines Werkzeugs (z.B. eine Endeffektorspitze, ein zentraler Punkt am Endeffektor oder ein Gabelkopf des Endeffektors), ein Merkmal des Manipulatorarms (z.B. ein Werkzeughalter, der zum Koppeln mit einem entfernbaren Werkzeug konfiguriert ist) usw. Ein weiteres Beispiel für ein Merkmal der Manipulatorbaugruppe ist ein Referenzpunkt im leeren Raum, der genau einen bestimmten Abstand und Winkel von einer Spitze des Werkzeugs entfernt ist.
Die Steuerung (710) kann eine Top-Level-Steuerung (730), eine Rückwärtskinematik-Steuerung (740), Gelenksteuerung (750) und ein Vorwärtskinematik-Modell (760) beinhalten. Jede dieser Komponenten wird nachfolgend beschrieben.
Die Top-Level-Steuerung (730) enthält gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen Befehle in Form von computerlesbarem Programmcode, um die befohlene Bewegung (720) zu empfangen und die befohlene Bewegung (720) in Positionen in einem kartesischen Referenzrahmen umzuwandeln. Die Schritte, die zum Umwandeln der befohlenen Bewegung (720) in kartesische Positionen durchgeführt werden, hängen von dem Format ab, in dem die befohlene Bewegung (720) bereitgestellt wird.
Die Rückwärtskinematik-Steuerung (740) wandelt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen befohlene kartesische Positionen in befohlene Gelenkpositionen (742) um (z.B. translatorische Positionen für prismatische Gelenke, Gelenkwinkel für Drehgelenke usw.). Die Operationen der Rückwärtskinematik-Steuerung können in der Geschwindigkeitsdomäne durchgeführt werden und die befohlenen Gelenkgeschwindigkeiten berechnen. Die Rückwärtskinematik-Steuerung (740) kann die berechneten Gelenkgeschwindigkeiten integrieren, um Soll-Gelenkpositionen (742) zu erhalten.
Der kartesische Fehler (732) kann eine Kombination der von der Top-Level-Steuerung (730) bereitgestellten kartesischen Positionen sein, wie zuvor erörtert, und der von einem Vorwärtskinematikmodell (760) bereitgestellten kartesischen Positionen, wie unten besprochen. Genauer gesagt, können die von dem Vorwärtskinematikmodell (760) bereitgestellten kartesischen Positionen eine Schätzung einer tatsächlichen oder aktuellen Position (z.B. eines Endeffektors) der Manipulatorbaugruppe im kartesischen Raum darstellen. Diese Schätzung kann von den die befohlene Bewegung darstellenden kartesischen Positionen subtrahiert werden, um die zu kompensierende Differenz zu erhalten, die als Steuereingang für die Rückwärtskinematiksteuerung (740) verwendet wird.
Während es im Allgemeinen keine geschlossene Formbeziehung gibt, die eine gewünschte kartesische Raumposition auf eine äquivalente Gelenkraumposition abbildet, existiert typischerweise eine geschlossene Formbeziehung zwischen der kartesischen Raumgeschwindigkeit und den Gelenkraumgeschwindigkeiten. Die kinematische Jakobi-Matrix ist die Matrix der partiellen Ableitungen der kartesischen Raumpositionselemente in Bezug auf die Gelenkraumpositionselemente. Die kinematische Jacobi-Matrix (J) kann zum Abbilden von Gelenkraumgeschwindigkeiten (dq/dt) auf Geschwindigkeiten im kartesischen Raum (dx/dt) verwendet werden, z.B. auf Endeffektorgeschwindigkeiten.
Selbst wenn es keine geschlossene Form der Abbildung zwischen Ein- und Ausgangspositionen gibt, können daher Abbildungen der Geschwindigkeiten iterativ von der Rückwärtskinematiksteuerung (740) verwendet werden, um eine Bewegung der Manipulatorbaugruppe auf der Basis einer befohlenen Trajektorie zu implementieren.
Jede der Gelenksteuerungen (750) wandelt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen eine empfangene befohlene Gelenkposition (742), wie eine Linear- oder Winkelgelenkposition, in einen Aktuatorbefehl (752) um, um einen der Aktuatormechanismen (790) anzutreiben und eine Gelenkbewegung (792) zu produzieren. Der Aktuatorbefehl (752) kann in jeder für den Aktuatormechanismus (790) geeigneten Form erfolgen. Beispielsweise kann der Aktuatorbefehl (752) eine Spannung, einen digitalen Wert oder ein anderes Signal umfassen, das an eine Motorsteuerung eines motorischen Aktuatormechanismus übermittelt wird. Eine Gelenksteuerung (750) kann zum Steuern jedes Aktuatormechanismus (790) verwendet werden. Die Gelenkbewegungen (792) aller Aktuatormechanismen können durch die Kinematik der Manipulatorbaugruppe eine Bewegung des Manipulatorarms entsprechend der befohlenen Bewegung (720) produzieren. 7B zeigt ein Beispiel für eine Gelenksteuerung (750).
Das Vorwärtskinematikmodell (760) wandelt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen die erfassten Gelenkzustände (754) in andere Formen um, wie z.B. Gelenkpositionen oder -geschwindigkeiten in kartesische Positionen oder Geschwindigkeiten, wie zuvor beschrieben.
Jeder Teil der Steuerung (710) oder die Gesamtheit der Steuerung (710) kann in Hardware, Software oder einer Kombination aus Hardware und Software implementiert sein. Beispielsweise kann die Steuerung (710) ganz oder teilweise in Form von computerlesbarem Programmcode implementiert sein, der zum Durchführen der für die Steuerung (710) beschriebenen Operationen konfiguriert ist. Die Steuerung (710) kann auf einem oder mehreren Rechensystemen implementiert sein. Diese ein oder mehreren Rechensysteme können auf Digitalsignalprozessoren (DSPs), Zentraleinheiten (CPUs) usw. basieren. Ein Beispiel für ein Rechensystem wird mit Bezug auf 1B beschrieben.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Steuerung (710) ferner zum Durchführen mindestens eines der in 8 beschriebenen Schritte konfiguriert.
7B zeigt eine Steuerarchitektur (700B) einer Gelenksteuerung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. In diesem Beispiel wird eine geschlossene PD-(Proportional-Differenzial)-Regelstruktur verwendet, um eine Gelenkposition auf der Basis einer befohlenen Gelenkposition zu steuern.
Die Gelenksteuerung kann ein Feedback-Signal in Form eines erfassten Gelenkzustands (754) (insbesondere, in diesem Beispiel, einer erfassten Gelenkposition) im Falle der Steuerarchitektur (700B)) von dem assoziierten Aktuatormechanismus (790) empfangen, um eine Regelung zu ermöglichen. Der Gelenkzustand (754) kann von Signalen abgeleitet werden, die von einem an dem Gelenk angebrachten Sensor stammen. Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Inkrementalgeber, ein Formsensor oder ein Hall-Sensor des Gelenks oder Aktuatormechanismus sein. Es kann ein Zustandsbeobachter oder -schätzer (nicht gezeigt) verwendet werden. Die PD-Regelstruktur verwendet zwei Regelverstärkungen (K_P, K_D), die auf eine Differenz zwischen der befohlenen Gelenkposition (742) und der erfassten Gelenkposition (d.h. ein Fehlersignal) bzw. deren Ableitungen wirken, um einen Aktuatorbefehl (752) zu erzeugen. In einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung ist der Aktuatorbefehl (752) begrenzt, und dementsprechend ist auch das/die resultierende Gelenkdrehmoment oder -kraft begrenzt. Die Begrenzung kann auf Hardware-Beschränkungen wie einem maximal zulässigen Motorstrom beruhen. Der Grenzwert kann außerdem per Software konfigurierbar sein.
Dementsprechend kann der Motorstrom (und das/die resultierende Motordrehmoment oder -kraft) linear mit der Positionsabweichung zwischen der befohlenen Gelenkposition (742) und der erfassten Gelenkposition (754) ansteigen, wie durch die Proportionalregelverstärkung (KP) vorgegeben, nur bis die Sättigungsgrenze erreicht ist. Jenseits dieser Grenze ist der Motorstrom konstant. Ein höherer K_P kann dazu führen, dass ein relativ kleiner Positionsfehler ausreicht, um die Sättigungsgrenze zu erreichen, während ein niedriger K_P dazu führen kann, dass ein relativ großer Positionsfehler erforderlich ist, um die Sättigungsgrenze zu erreichen. In einer Ausführungsform der Offenbarung wird ein relativ hoher K_P verwendet, um eine ansprechende Positionssteuerung des Gelenks mit einem begrenzten stationären Fehler zu erreichen. Dementsprechend kann ein Anstieg des Positionsfehlers schnell zu einem Erreichen der Sättigungsgrenze führen. Während die Steuerarchitektur (700B) einen Proportional-Differenzial-Regler (PD) verwendet, können auch andere Regler wie Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID), Vollzustandsfeedback, Gleitmodus oder verschiedene andere Steuerschemata verwendet werden, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Es ist zwar die Steuerung einer Gelenkposition dargestellt, aber es können auch andere Variablen wie Geschwindigkeit, Drehmoment oder Kraft geregelt werden, ohne von der Offenbarung abzuweichen.
Das zuvor beschriebene Rückfahren eines Gelenks kann in mehreren verschiedenen Steuermodi erfolgen, um den mit dem Gelenk assoziierten Aktuatormechanismus zu steuern. Eine Implementation kann mit einem, zwei, drei, vier oder mehr Steuermodi konfiguriert sein, die das Rückfahren eines Gelenks zulassen. Zur Veranschaulichung werden im folgenden Text drei verschiedene beispielhafte Steuermodi beschrieben, die das Rückfahren eines Gelenks zulassen. Diese Steuermodi werden auf der Basis der Steuerarchitektur (700B) in 7B beschrieben, wobei auch andere Steuerarchitekturen möglich sind. Ein System kann mit einem dieser drei Steuermodi, mit zwei dieser drei Steuermodi, mit allen drei Steuermodi oder mit einer anderen Kombination von Steuermodi konfiguriert werden, die mit den drei unten beschriebenen Steuermodi übereinstimmen oder sich davon unterscheiden.
Zum Beispiel kann ein System mit einem rückfahrbaren Steuermodus implementiert werden, der einen Schlupfregelungsmodus umfasst. Der Schlupfregelungsmodus wird in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/826,780 und in der PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/ US2020/025481 ausführlicher beschrieben, deren vollständige Offenbarungen hier durch Bezugnahme aufgenommen werden. Man nehme zum Beispiel an, dass PD-Regler, wie in 7B vorgestellt, zum Steuern des Aktuatormechanismus eines Manipulatorarms oder einer Manipulatorbaugruppe, die den Manipulatorarm und ein Werkzeug beinhaltet, verwendet werden. Ein PD-Regler kann zum Steuern eines Aktuatormechanismus eines Manipulatorarmsegments verwendet werden. Die Steuerung kann beispielsweise darin bestehen, das Gelenk in einer befohlenen Gelenkposition zu halten (z.B. kann die befohlene Position als befohlener Gelenkzustand (742) in 7B angegeben werden). Wie mit Bezug auf 7B erläutert, kann die Proportionalregelverstärkung des PD-Reglers auf eine Abweichung der tatsächlichen Gelenkposition (z.B. der erfassten oder geschätzten Gelenkposition) von der befohlenen Position reagieren. Als Reaktion auf die Abweichung kann ein Aktuatorbefehl zum Antreiben des Aktuatormechanismus erzeugt oder modifiziert werden, und der durch den Aktuatorbefehl gesteuerte Aktuatormechanismus kann ein(e) entsprechende(s) Drehmoment oder Kraft erzeugen (z.B. ein(e) am Ausgang des Aktuators bereitgestellte(s) Motordrehmoment oder -kraft oder ein(e) Gelenkdrehmoment oder -kraft). Beispielsweise kann ein Aktuatorbefehl einen befohlenen Strom für einen motorischen Aktuator umfassen oder verursachen und ein Drehmoment auslösen, das proportional zum befohlenen Strom ist. Dementsprechend führt eine größere Differenz zwischen der befohlenen Gelenkposition und der erfassten Gelenkposition zu einem stärkeren vom Aktuatormechanismus produzierten Drehmoment. Auf diese Weise kann ein PD-Regler-basierter Regelkreis Charakteristiken einer linearen Feder teilweise nachahmen: Je weiter die befohlenen und tatsächlichen Gelenkposition auseinander liegen, desto mehr Energie wird in der Feder gespeichert, da der PD-Regler die Differenz verstärkt ausgleichen muss. Der Federkoeffizient kann durch die Proportionalregelverstärkung (K_P) bestimmt werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein definierter Schwellenwert verwendet, um zwei Verhaltensweisen des Gelenks zu unterscheiden: (1) Wenn die Abweichung den definierten Schwellenwert nicht überschreitet, gleicht der PD-Regler die Abweichung aus, indem er den Aktuatormechanismus in einer der Abweichung entgegengesetzten Richtung antreibt. Mit anderen Worten, der Aktuator wird auf der Basis des befohlenen Zustands gesteuert. (2) Wenn die Abweichung den definierten Schwellenwert überschreitet, kann der befohlene Zustand aktualisiert werden, so dass er näher am tatsächlichen Zustand liegt, wodurch die Abweichung auf ein akzeptables Niveau unterhalb des definierten Schwellenwerts reduziert wird. Mit anderen Worten, der befohlene Zustand kann justiert werden, um einen justierten befohlenen Zustand zu erzeugen, bei dem die Differenz zwischen dem justierten befohlenen Zustand und dem tatsächlichen Zustand kleiner ist als die Abweichung. Der justierte befohlene Zustand wird dann zum Steuern des Aktuators verwendet. Der justierte befohlene Zustand kann so gewählt werden, dass beispielsweise ein(e) gesättigte(s) Ausgangskraft/Drehmoment aufrechterhalten wird, während die Abweichung zwischen dem justierten befohlenen und dem tatsächlichen Zustand minimiert wird, wobei der definierte Schwellenwert die/das gesättigte Ausgangskraft/Drehmoment bestimmt.
Der definierte Schwellenwert kann in Bezug auf eine befohlene Position oder, allgemeiner, einen befohlenen Zustand festgelegt werden. Wenn in dieser Konfiguration ein(e) mit einem externen Gelenk assoziierte(s) Kraft oder Drehmoment (z.B. wenn ein Benutzer eine Kraft auf ein von dem Gelenk distales Verbindungsglied ausübt) zu einer Abweichung der erfassten Gelenkposition von der befohlenen Gelenkposition führt, die den definierten Schwellenwert überschreitet, kann das Gelenk rückgefahren werden. Wenn ein(e) mit einem externen Gelenk assoziierte(s) Kraft oder Drehmoment zu einer Abweichung der erfassten Gelenkposition von der befohlenen Gelenkposition führt, die den Abweichungsschwellenwert nicht überschreitet (z.B. als Ergebnis einer geringeren Krafteinwirkung), kann das Gelenk der Kraft federartig entgegenwirken, ohne die befohlene Gelenkposition zu ändern. Die Höhe der Kraft, die erforderlich ist, um eine Änderung der befohlenen Position zu bewirken, kann von verschiedenen Faktoren abhängen. So muss beispielsweise bei einem höheren definierten Schwellenwert mehr Kraft aufgewendet werden als bei einem niedrigeren definierten Schwellenwert. Wenn der definierte Schwellenwert auf einen sehr niedrigen Wert (nahe Null) eingestellt ist, kann ein Rückfahren mit sehr wenig auf das Gelenk ausgeübter/m Kraft oder Drehmoment möglich sein. Außerdem müsste bei einer höheren Proportionalregelverstärkung (K_P) mehr Kraft aufgebracht werden als bei einer niedrigeren Fehlerschwelle, da K_P für die federartigen Charakteristiken des Gelenks unterhalb der Fehlerschwelle verantwortlich ist, wobei ein höherer K_P eine steifere Feder implementiert. Dementsprechend können die Charakteristiken des Rückfahrverhaltens des Gelenks durch Justieren der Fehlerschwelle und/oder von K_P moduliert werden.
Zum Beispiel, es kann ein System mit einem rückfahrbaren Steuermodus implementiert werden, der einen Positionshaltemodus umfasst. Man nehme zum Beispiel an, dass PD-Regler, wie in 7B eingeführt, für die Steuerung des Aktuatormechanismus eines Manipulatorarms oder einer Manipulatorbaugruppe mit dem Manipulatorarm und einem Werkzeug verwendet werden. Ein PD-Regler kann zum Steuern eines Aktuatormechanismus verwendet werden, der zum Bewegen eines ersten Gelenks des Manipulatorarms konfiguriert ist. Der Regler kann beispielsweise den Aktuatormechanismus so steuern, dass das Gelenk in einer befohlenen Gelenkposition gehalten wird (z.B. kann die befohlene Position als befohlener Gelenkzustand (742) in 7B angegeben werden). Wie mit Bezug auf 7B und wie für den Schlupfregelungsmodus erörtert, kann die Proportionalregelverstärkung des PD-Reglers auf eine Abweichung der tatsächlichen Gelenkposition (z.B. die erfasste oder geschätzte Gelenkposition) von der befohlenen Position wirken. Als Reaktion auf die Abweichung kann ein Aktuatorbefehl zum Antreiben des Aktuatormechanismus erzeugt oder modifiziert werden; der durch den Aktuatorbefehl gesteuerte Aktuatormechanismus kann einen angemessenen Betrag an linearer Kraft oder Rotationsdrehmoment erzeugen (z.B. ein Drehmoment, das am Ausgang des Aktuators oder eines durch den Aktuator angetriebenen Antriebsstrangs bereitgestellt wird). Dementsprechend führt eine größere Differenz zwischen der befohlenen Gelenkposition und der erfassten Gelenkposition zur Erzeugung einer/s stärkeren Kraft oder Drehmoments durch den Aktuatormechanismus, wie zuvor für den Schlupfregelungsmodus beschrieben. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist der PD-Regler auch zum Verhindern, sobald die Abweichung einen definierten Schwellenwert überschreitet, eines weiteren Anstiegs der Kraft oder des Drehmoments konfiguriert, so dass ein Plateau erreicht wird. Dieses Plateau jenseits des definierten Schwellenwerts kann im Wesentlichen positions- und geschwindigkeitsunabhängig sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist der PD-Regler nicht so konfiguriert, dass er einen solchen definierten Schwellenwert aufweist, oder er ist nicht zum Verhindern konfiguriert, dass die Kraft oder das Drehmoment ansteigt, wenn die Abweichung den definierten Schwellenwert überschreitet.
Zum Beispiel, es kann ein System mit einem rückfahrbaren Steuermodus implementiert werden, der einen Kupplungssteuermodus umfasst. In einer Ausführungsform werden beispielsweise PD-Regler, wie in 7B dargestellt, für die Steuerung des Aktuatormechanismus einer Manipulatorbaugruppe verwendet. Ein PD-Regler kann zum Steuern eines Aktuatormechanismus eines Manipulatorarmsegments verwendet werden. Wie in 7B dargestellt, kann die befohlene Gelenkposition (742) so eingestellt werden, dass sie mit der erfassten Gelenkposition (754) übereinstimmt, wenn sich ein Aktuatormechanismus in einem Kupplungssteuermodus befindet. Da die Proportionalregelverstärkung des PD-Reglers auf einer Abweichung der tatsächlichen Gelenkposition (z.B. der erfassten oder geschätzten Gelenkposition) von der befohlenen Gelenkposition beruht, kann der PD-Regler einen Null-Befehl erzeugen (z.B. Nullkraft, Nulldrehmoment, Nullstrom, usw.). Der Null-Befehl kann modifiziert werden, um Schwerkraft- und/oder Reibungskompensation zu ermöglichen, und als Ergebnis kann das mit dem Aktuatormechanismus assoziierte Gelenk schwimmen, wie zuvor beschrieben.
In den folgenden Abschnitten wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines kontrollierten Widerstands in rückfahrbaren Gelenken beschrieben, das auf den besprochenen Steuerungsmodi basiert.
8 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Flussdiagramm von 8 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Robotersystems gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Genauer gesagt, kann das Verfahren zum Implementieren eines kontrollierten Widerstands in rückfahrbaren Gelenken verwendet werden. Einer oder mehrere der Schritte in 8 können von verschiedenen Komponenten der Systeme ausgeführt werden, die zuvor mit Bezug auf 1A, 1B, 2, 3, 4A, 4B, 5 und 6 beschrieben wurden. In diesen Figuren werden bestimmte Manipulatorarme und bestimmte Werkzeuge beschrieben, wobei die Manipulatorarme und Werkzeuge bestimmte Freiheitsgrade haben. Die nachfolgend beschriebenen Verfahren sind jedoch nicht auf eine bestimmte Konfiguration von Manipulatorarmen, Werkzeugen und/oder Freiheitsgraden beschränkt. Stattdessen sind die Verfahren auf jede Art von Manipulatorarm, gepaart mit jeder Art von Werkzeug, anwendbar, die in jeder Art von Szenario verwendet wird. Ferner können einer oder mehrere der Schritte in 8 auf den Steuermodi der in 7A und 7B beschriebenen Steuerarchitektur aufbauen.
Nach der Beschreibung des Verfahrens folgt eine Diskussion verschiedener Anwendungen und Vorteile.
Während die verschiedenen Schritte im Flussdiagramm sequentiell präsentiert und beschrieben werden, wird die Fachperson erkennen, dass einige oder alle Schritte in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden können, kombiniert oder ausgelassen werden können und einige oder alle Schritte parallel ausgeführt werden können. Außerdem können zusätzliche Schritte durchgeführt werden. Außerdem können die Schritte aktiv oder passiv ausgeführt werden. Beispielsweise können einige Schritte mittels Abfragen ausgeführt werden oder gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung unterbrechungsgesteuert sein. Beispielsweise erfordern Bestimmungsschritte keine Verarbeitung eines Befehls durch ein Prozessor, solange kein Interrupt empfangen wird, der anzeigt, dass eine Bedingung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung vorliegt. Ein weiteres Beispiel ist die Ausführung von Bestimmungsschritten mittels Durchführung eines Tests, z.B. die Überprüfung eines Datenwerts, um zu testen, ob der Wert mit der getesteten Bedingung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung übereinstimmt. Dementsprechend sollte der Umfang der Offenbarung nicht als auf die in 8 gezeigte spezifische Anordnung von Schritten beschränkt angesehen werden.
Das Flussdiagramm von 8 zeigt eine Reihe von Schritten, die ein Verfahren zur Bereitstellung eines kontrollierten Widerstands in rückfahrbaren Gelenken implementieren. Das Verfahren kann wiederholt ausgeführt werden, z.B. in einer Schleife. Obwohl das Flussdiagramm von 8 Schritte zeigt, die für ein einzelnes Gelenk ausgeführt werden, können die Schritte für mehrere Gelenke ausgeführt werden, ohne von der Offenbarung abzuweichen.
In Schritt 800 erfolgt eine Auswahl eines Steuermodus für die Steuerung eines Aktuatormechanismus eines Gelenks. Das Flussdiagramm von 8 zeigt zwei Steuermodi für das Verfahren: ein erster Steuermodus und ein zweiter Steuermodus. Es kann eine oder mehrere zusätzliche Steuermodi geben, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Die Auswahl eines Steuermodus kann von einem Benutzer vorgenommen werden, z.B. durch Spezifizieren des Steuermodus durch einen Benutzer. Alternativ kann der Steuermodus von einem Computersystem ausgewählt werden, z.B. von der Top-Level-Steuerung der Steuerarchitektur von 7A. Ein Steuermodus kann für einen Aktuatormechanismus eines einzelnen Gelenks oder für Aktuatormechanismen mehrerer Gelenke ausgewählt werden. Zum Beispiel können, wie zuvor besprochen, mehrere Gelenke „schwimmend“ sein, wenn sie sich in einem Kupplungssteuermodus befinden.
In Schritt 810 wird, je nachdem, welcher Steuermodus ausgewählt ist, die Ausführung des Verfahrens mit Schritt 820 fortgesetzt, um das Gelenk in einem ersten Steuermodus zu betreiben, oder mit Schritt 830, um das Gelenk in einem zweiten Steuermodus zu betreiben. In einer oder mehreren Ausführungsformen erlauben sowohl der erste Steuermodus als auch der zweite Steuermodus eine externe Artikulation (z.B. als Ergebnis einer Kraft, die auf ein distales Verbindungsglied des Gelenks ausgeübt wird) zum Umkonfigurieren des Manipulatorarms durch Rückfahren des Gelenks.
In Schritt 820 befiehlt die Steuerung dem Aktuatormechanismus, das Gelenk im ersten Steuermodus zu betreiben. Das Betreiben des Gelenks im ersten Steuermodus beinhaltet die Ausführung der Schritte 822 und 824 und optional von Schritt 826.
In Schritt 822 wird das Gelenk in einem Servosteuermodus betrieben. Der Servosteuermodus kann beispielsweise der Schlupfregelungsmodus oder der Positionshaltemodus sein, wie zuvor mit Bezug auf 7B erörtert, oder jeder andere Feedback-gesteuerte, rückfahrbare Steuermodus.
In Schritt 824 wird oberhalb einer ersten Geschwindigkeitsschwelle ein erster geschwindigkeitsabhängiger Widerstand (z.B. ein(e) Motorkraft oder - drehmoment oder ein(e) Gelenkkraft oder -drehmoment) bereitgestellt, der dem Rückfahren des Gelenks entgegenwirkt. Bei einem Drehgelenk kann der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand eine Drehkraft (z.B. ein Drehmoment) umfassen. Bei einem prismatischen Gelenk kann der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand eine lineare Kraft (z.B. eine Kraft) sein. In einer Ausführungsform simuliert der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand ein geschwindigkeitsabhängiges Dämpfungsverhalten. Das geschwindigkeitsabhängige Dämpfungsverhalten kann eine beliebige Charakteristik aufweisen. Beispielsweise kann der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand linear oder nichtlinear (z.B. quadratisch oder exponentiell) mit der den ersten Geschwindigkeitsschwellenwert überschreitenden Geschwindigkeit des Rückfahrens ansteigen. Darüber hinaus kann die Steigung der geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungsantwort parametrisiert werden, um eine stärkere oder schwächere Geschwindigkeitsabhängigkeit zu ermöglichen. Zusätzliche Details bezüglich des geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungsverhaltens werden unten mit Bezug auf 9 angegeben.
In Schritt 826 kann bei oder unter dem ersten geschwindigkeitsabhängigen Schwellenwert ein geschwindigkeitsunabhängiger Widerstand (z.B. ein(e) Motorkraft oder - drehmoment oder ein(e) Gelenkkraft oder -drehmoment) bereitgestellt werden, der dem Rücksfahren des Gelenks entgegenwirkt. Schritt 826 ist ein optionaler zusätzlicher Schritt für das Beispiel in 8. Der drehzahlunabhängige Widerstand kann, wie zuvor beschrieben, im Schlupfregelungsmodus bereitgestellt werden. Die Höhe des geschwindigkeitsunabhängigen Widerstands kann als Parameter festgelegt werden. Der Parameter kann verwendet werden, um den Schwellenwert festzulegen, bis zu dem der PD-Regler-basierte Regelkreis federähnliche Charakteristiken aufweist: Je weiter die befohlene und tatsächliche Gelenkposition auf der Basis des Parameters auseinander liegen dürfen, desto mehr Energie kann in der Feder gespeichert werden, was zu einem höheren drehzahlunabhängigen Widerstand führt. Wenn die akzeptable Differenz zwischen der befohlenen und der tatsächlichen Gelenkposition auf Null gesetzt wird, kann der geschwindigkeitsunabhängige Widerstand gleich Null oder minimal sein (z.B. auf der Basis von Reibungseffekten, die unabhängig vom gewählten Steuermodus bestehen).
In Schritt 830 befiehlt die Steuerung dem Aktuatormechanismus, das Gelenk im zweiten Steuermodus zu betreiben. Das Betreiben des Gelenks im zweiten Steuermodus beinhaltet die Ausführung von Schritt 832 und optional Schritt 834.
In Schritt 832 wird das Gelenk in einem Kupplungssteuermodus betrieben, wie zuvor mit Bezug auf 7B diskutiert.
In Schritt 834 wird oberhalb eines zweiten Geschwindigkeitsschwellenwerts ein zweiter geschwindigkeitsabhängiger Widerstand bereitgestellt, der dem Rückfahren des Gelenks entgegenwirkt. Der zweite Geschwindigkeitsschwellenwert kann sich vom ersten Geschwindigkeitsschwellenwert unterscheiden, und/oder der zweite geschwindigkeitsabhängige Widerstand kann sich vom ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand unterscheiden. In einer Ausführungsform ist der zweite geschwindigkeitsabhängige Schwellenwert höher als der erste geschwindigkeitsabhängige Schwellenwert. In einer Ausführungsform simuliert der zweite geschwindigkeitsabhängige Widerstand wie der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand ein geschwindigkeitsabhängiges Dämpfungsverhalten und kann eine beliebige Charakteristik aufweisen, wie zuvor beschrieben. Bei einem Drehgelenk kann der zweite drehzahlabhängige Widerstand ein Drehmoment umfassen. Bei einem prismatischen Gelenk kann der zweite geschwindigkeitsabhängige Widerstand eine Kraft beinhalten. Schritt 834 ist ein optionaler zusätzlicher Schritt für das Beispiel in 8.
In einer oder mehreren Ausführungsformen liegen der erste Geschwindigkeitsschwellenwert und/oder der zweite Geschwindigkeitsschwellenwert unter einem Geschwindigkeitsgrenzwert für gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK). Dementsprechend würde ein Benutzer den ersten und/oder zweiten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand erfahren, bevor er Rückfahrgeschwindigkeiten erreicht, die zu Gegen-EMK-Effekten führen würden, die durch den Aktuator bereitgestellt werden, wie zuvor erörtert. Der erste und/oder zweite geschwindigkeitsabhängige Widerstand kann/können dem Benutzer ein haptisches Feedback geben. In einigen Ausführungsformen kann der Benutzer den ersten und/oder zweiten Widerstand als Hinweis darauf verwenden, dass eine weitere Erhöhung der Rückfahrgeschwindigkeit unerwünscht ist, und der Benutzer kann beschließen, eine weitere Erhöhung der Rückfahrgeschwindigkeit zu vermeiden. Dementsprechend kann das Vorhandensein des ersten und/oder zweiten geschwindigkeitsabhängigen Widerstands dem Benutzer helfen, das Erreichen von Rückfahrgeschwindigkeiten jenseits der Gegen-EMK-Geschwindigkeitsgrenze zu vermeiden.
Mit Bezug auf 9 wird ein Diagramm (900) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gezeigt, das Widerstands-Geschwindigkeits-Profile für verschiedene Steuermodi darstellt, wenn die Position bereits gesättigt ist. Das Diagramm (900) enthält ein erstes Profil (920), das mit dem zuvor beschriebenen ersten Steuermodus von 8 assoziiert sein kann. In dem in 9 gezeigten Beispiel umfasst das erste Profil (920) einen Abschnitt bei oder unter einem ersten Geschwindigkeitsschwellenwert (926) mit einem ersten geschwindigkeitsunabhängigen Widerstand (924), einen Abschnitt bei oder über dem ersten Geschwindigkeitsschwellenwert (926) mit einem ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand (922). Mit Bezug auf die Erörterung des Schlupfregelungsmodus in Bezug auf 7B ist der erste geschwindigkeitsunabhängige Widerstand (924) ein Ergebnis der Abweichung der tatsächlichen Gelenkposition von der befohlenen Gelenkposition, die den definierten Schwellenwert überschreitet, was den Aktuatormechanismus veranlasst, ein(e) gesättigte(s) Ausgangskraft/-drehmoment entsprechend dem ersten geschwindigkeitsunabhängigen Widerstand (924) zu erzeugen. Das Diagramm (900) enthält ferner ein zweites Profil (940), das mit dem zuvor beschriebenen zweiten Steuermodus von 8 assoziiert sein kann. In dem in 9 gezeigten Beispiel enthält das zweite Profil (940) einen Abschnitt oberhalb des zweiten Geschwindigkeitsschwellenwerts (946) mit einem zweiten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand (942). Obwohl nicht dargestellt, kann das zweite Profil (940) einen zweiten geschwindigkeitsunabhängigen Widerstand bei oder unter dem zweiten Geschwindigkeitsschwellenwert (946) aufweisen. Der zweite geschwindigkeitsunabhängige Widerstand kann niedriger sein als der erste geschwindigkeitsunabhängige Widerstand (924). Das Diagramm (900) zeigt einen unmittelbaren Übergang zum ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand (922) beim Überschreiten des ersten Geschwindigkeitsschwellenwerts (926) und einen unmittelbaren Übergang zum zweiten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand (942) beim Überschreiten des zweiten Geschwindigkeitsschwellenwerts (946). Stattdessen können sanfte Übergänge implementiert werden, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Der genaue Übergang zwischen dem geschwindigkeitsunabhängigen und dem geschwindigkeitsabhängigen Widerstand kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, einschließlich Übergängen, bei denen der vom Manipulator gelieferte Widerstand kontinuierlich mit der Geschwindigkeit verläuft. Das erste Profil unterscheidet sich vom zweiten Profil und überschneidet oder überlagert es nicht für alle Nicht-Null-Rückfahrgeschwindigkeiten, unterhalb der Geschwindigkeitsgrenze der gegenelektromotorischen Kraft (952). In dem in 9 gezeigten Beispiel ist die Steigung des ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstands (922) gleich der oder größer als die Steigung des zweiten geschwindigkeitsabhängigen Widerstands (942), und das erste und zweite Profil (920, 940) überschneiden sich an keinem Punkt. Es versteht sich, dass in anderen Beispielen auch andere Steigungen und/oder nichtlineare Abschnitte, die sich ebenfalls nicht schneiden, verwendet werden können. Daher ist eine haptische Unterscheidung zwischen einem Rückfahren im ersten Steuermodus und einem Rückfahren im zweiten Steuermodus bei jeder Rückfahrgeschwindigkeit gegeben, bis der resultierende Widerstand ein Niveau erreicht, das der Aktuator nicht überschreiten kann (z.B. auf der Basis eines maximalen Stroms für einen Aktuator).
Mit Bezug auf die in 1A, 1B, 2, 3, 4A, 4B, 5 und 6 beschriebenen Manipulatorbaugruppen können die beschriebenen Verfahren die Verwendung von und die Interaktion mit Robotersystemen erleichtern und/oder verbessern.
In einer Ausführungsform können die Verfahren angewendet werden, um zwei oder mehr Steuermodi haptisch zu unterscheiden. Eine solche haptische Unterscheidung kann nützlich sein, um Feedback zu geben, das keine visuelle oder akustische Aufmerksamkeit des Benutzers erfordert. In einem solchen Szenario kann der Benutzer in der Lage sein, eine Änderung der Steuermodi zu erkennen, zwischen Steuermodi zu unterscheiden oder den aktuellen Steuermodus allein auf der Basis der haptischen Unterscheidung der Steuermodi zu bestimmen.
In einem spezifischen Beispiel, das sich auf 6 bezieht, hat ein Werkzeug (600) eine Einsetzachse (612). Das Werkzeug (600) kann sich entlang der Einsetzachse in mindestens zwei verschiedenen Szenarien bewegen. In einem ersten Szenario bewegt sich das Werkzeug (600) entlang der Einsetzachse (612) als Teil des Betriebs des Werkzeugs, um Arbeiten an einem Zielort durchzuführen. Beispielsweise kann eine Einsetzbewegung entlang der Einsetzachse (612) durchgeführt werden, um sich dem Zielort mit dem Endeffektor (640) des Werkzeugs (600) zu nähern, oder es kann eine Rückzugsbewegung entlang der Einsetzachse (612) durchgeführt werden, um den Endeffektor (640) von der Stelle zurückzuziehen. In einem zweiten Szenario bewegt sich das Werkzeug entlang der Einsetzachse als Teil eines Werkzeugwechselvorgangs (z.B. wenn das Werkzeug entfernt und durch ein anderes Werkzeug ersetzt wird). Obwohl sowohl im ersten als auch im zweiten Szenario die Bewegung des Werkzeugs (600) entlang der Einsetzachse (612) erfolgt, ist der Kontext, in dem die Bewegung stattfindet, unterschiedlich. Für die beiden Szenarien können unterschiedliche Steuermodi verwendet werden.
Für das erste Szenario kann während des Betriebs des Werkzeugs der erste Steuermodus, wie im Flussdiagramm von 8 beschrieben, verwendet werden. Im ersten Steuermodus kann die Bewegung des Werkzeugs entlang der Einsetzachse befohlen werden (z.B. durch Teleoperation), wobei ein Rückfahren des Werkzeugs möglich ist, z.B. indem ein Benutzer das Werkzeug entlang der Einsetzachse schiebt oder zieht. Abhängig von der Rückfahrgeschwindigkeit kann der Benutzer einen geschwindigkeitsunabhängigen Widerstand gegen das Rückfahren oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand gegen das Rückfahren erfahren.
Für das zweite Szenario kann während des Austauschs des Werkzeugs der zweite Steuermodus, wie im Flussdiagramm von 8 beschrieben, verwendet werden. Im zweiten Steuermodus wird keine Bewegung des Werkzeugs befohlen, und der Benutzer kann das Werkzeug frei (ohne oder mit minimalem Widerstand) entlang der Einsetzachse zurückfahren, um das Entfernen und/oder Wiedereinsetzen des Werkzeugs durchzuführen.
Die Verwendung von unterschiedlichen Widerstands-GeschwindigkeitsProfilen, z.B. wie in 9 gezeigt, bietet ein haptisches Feedback, das dem Benutzer hilft, den aktuellen Steuermodus des entlang der Einsetzachse bewegten Werkzeugs zu unterscheiden oder zu identifizieren. Insbesondere kann der Benutzer bei niedrigeren Rückfahrgeschwindigkeiten den ersten geschwindigkeitsunabhängigen Widerstand wahrnehmen, wenn er im ersten Steuermodus (in diesem Beispiel der Betriebsmodus des Werkzeugs) ist. Im Gegensatz dazu wird dem Benutzer im zweiten Steuermodus (in diesem Beispiel der Werkzeugwechselmodus) bei ähnlichen Geschwindigkeiten kein oder nur ein geringer Widerstand entgegengebracht. Bei Rückfahrgeschwindigkeiten jenseits des ersten Geschwindigkeitsschwellenwerts kann der Benutzer den höheren ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand im ersten Steuermodus (in diesem Beispiel der Werkzeugbetriebsmodus) bemerken, der höher ist als der Widerstand, den der Benutzer bei der gleichen Geschwindigkeit im zweiten Steuermodus (in diesem Beispiel der Werkzeugwechselmodus) erfahren würde. Bei noch höheren Rückfahrgeschwindigkeiten kann der Benutzer im zweiten Steuermodus einen Gegen-EMK-Widerstand feststellen. Wäre der erste Steuermodus ohne den geschwindigkeitsabhängigen Widerstand implementiert, würde der Benutzer den Gegen-EMK-Widerstand auch bei höheren Geschwindigkeiten im ersten Steuermodus spüren, da der Gegen-EMK-Widerstand höher ist als der erste geschwindigkeitsunabhängige Widerstand. Aufgrund des Hinzufügens des ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstands, wie in Bezug auf 9 erörtert, sind der erste und der zweite Steuermodus jedoch bei jeder Rückfahrgeschwindigkeit haptisch unterscheidbar.
Während die Erfindung in Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, wird die Fachperson mit dem Vorteil der vorliegenden Offenbarung erkennen, dass andere Ausführungsformen entwickelt werden können, die nicht vom Umfang der Erfindung wie hier offenbart abweichen. Dementsprechend sollte der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6394998 [0032]
US 6699177 [0040]
US 62/826780 [0057]
US 2020025481 [0057]

Claims

Computergestütztes System, das Folgendes umfasst: einen Manipulatorarm, der ein Gelenk umfasst, und einen Aktuatormechanismus, der zum Antreiben des Gelenks konfiguriert ist; und eine Steuerung, die einen Computerprozessor umfasst, wobei die Steuerung kommunikativ mit dem Manipulatorarm gekoppelt und mit einem ersten Steuermodus und einem zweiten Steuermodus konfiguriert ist, wobei die Steuerung sowohl im ersten Steuermodus als auch im zweiten Steuermodus dem Aktuatormechanismus befiehlt, eine externe Artikulation zuzulassen, um den Manipulatorarm durch Rückfahren des Gelenks umzukonfigurieren, und wobei sich der erste Steuermodus vom zweiten Steuermodus zumindest dadurch unterscheidet, dass die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie im ersten Steuermodus dem Aktuatormechanismus befiehlt, einen ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand als Reaktion darauf bereitzustellen, dass das Gelenk mit einer ersten Rückfahrgeschwindigkeit oberhalb eines ersten Geschwindigkeitsschwellenwerts rückgefahren wird, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand dem Rückfahren des Gelenks entgegenwirkt.
Computergestütztes System nach Anspruch 1, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand ein Drehmoment umfasst.
Computergestütztes System nach Anspruch 1, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand ein geschwindigkeitsabhängiges Dämpfungsverhalten simuliert.
Computergestütztes System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie im zweiten Steuermodus dem Aktuatormechanismus befiehlt, das Gelenk schwimmen zu lassen.
Computergestütztes System nach Anspruch 4, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie im zweiten Steuermodus dem Aktuatormechanismus befiehlt, einen zweiten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand als Reaktion darauf bereitzustellen, dass das Gelenk mit einer zweiten Rückfahrgeschwindigkeit oberhalb eines zweiten Geschwindigkeitsschwellenwerts rückgefahren wird, wobei der zweite Geschwindigkeitsschwellenwert höher ist als der erste Geschwindigkeitsschwellenwert.
Computergestütztes System nach Anspruch 1, wobei im ersten Steuermodus die Steuerung dem Aktuatormechanismus befiehlt, die externe Artikulation zuzulassen, um den Manipulatorarm durch Durchführen von Operationen umzukonfigurieren, die Folgendes beinhalten: Erhalten eines tatsächlichen Zustands des Gelenks; Bestimmen einer Abweichung zwischen einem befohlenen Zustand des Gelenks und dem tatsächlichen Zustand; als Reaktion darauf, dass die Abweichung einen definierten Schwellenwert überschreitet: Justieren des befohlenen Zustands zum Erzeugen eines justierten befohlenen Zustands, wobei eine Differenz zwischen dem justierten befohlenen Zustand und dem tatsächlichen Zustand kleiner als die Abweichung ist, und Anwenden des justierten befohlenen Zustands beim Befehlen des Aktuatormechanismus; und als Reaktion darauf, dass die Abweichung den definierten Schwellenwert nicht überschreitet: Anwenden des befohlenen Zustands beim Steuern des Aktuatormechanismus.
Computergestütztes System nach Anspruch 1, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand mit dem Betrag zunimmt, um den die erste Rückfahrgeschwindigkeit den ersten Geschwindigkeitsschwellenwert überschreitet.
Computergestütztes System nach Anspruch 7, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand linear mit dem Betrag ansteigt.
Computergestütztes System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Aktuatormechanismus einen Aktuator mit einer Geschwindigkeitsgrenze der gegenelektromotorischen Kraft umfasst, und wobei der erste Geschwindigkeitsschwellenwert unter der Geschwindigkeitsgrenze der gegenelektromotorischen Kraft liegt.
Computergestütztes System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Aktuatormechanismus einen Aktuator mit einer Geschwindigkeitsgrenze der gegenelektromotorischen Kraft umfasst; wobei die Steuerung konfiguriert ist zum: Befehlen dem Aktuatormechanismus im ersten Steuermodus, dem Rückfahren des Gelenks gemäß einem ersten Widerstands-Geschwindigkeits-Profil zu widerstehen; wobei die Steuerung ferner konfiguriert ist zum: Befehlen dem Aktuatormechanismus im zweiten Steuermodus, dem Rückfahren des Gelenks gemäß mit einem zweiten Widerstands-Geschwindigkeits-Profil zu widerstehen; und wobei sich das erste Widerstands-Geschwindigkeits-Profil von dem zweiten Widerstands-Geschwindigkeits-Profil für alle Nicht-Null-Geschwindigkeiten des Rückfahrens unterhalb der Geschwindigkeitsgrenze der gegenelektromotorischen Kraft unterscheidet.
Computergestütztes System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: der Manipulatorarm zum Tragen und Bewegen eines Werkzeug konfiguriert ist; und das Gelenk einen Freiheitsgrad zum Bewegen des Werkzeugs entlang einer Einsetzachse in einen Arbeitsraum bietet.
Computergestütztes System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuerung ferner zum Befehlen dem Aktuatormechanismus im ersten Steuermodus konfiguriert ist, einen geschwindigkeitsunabhängigen Widerstand bereitzustellen, der dem Rückfahren des Gelenks entgegenwirkt, so dass der geschwindigkeitsunabhängige Widerstand einem Benutzer ein haptisches Feedback gibt, der das Rückfahren veranlasst, wobei das haptische Feedback das Rückfahren des Gelenks im ersten Steuermodus vom Rückfahren des Gelenks im zweiten Steuermodus unterscheidet.
Computergestütztes System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand einem Benutzer haptisches Feedback gibt, das das Rückfahren des Gelenks im ersten Steuermodus veranlasst, wobei das haptische Feedback das Rückfahren des Gelenks im ersten Steuermodus vom Rückfahren des Gelenks im zweiten Steuermodus unterscheidet.
Computergestütztes System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuerung ferner zum Befehlen dem Aktuatormechanismus im ersten Steuermodus konfiguriert ist, einen geschwindigkeitsunabhängigen Widerstand bereitzustellen, der dem Rückfahren entgegenwirkt, wenn das Gelenk mit einer Geschwindigkeit rückgefahren wird, die den ersten Geschwindigkeitsschwellenwert nicht überschreitet.
Verfahren zum Betreiben eines robotischen Systems, das einen Manipulatorarm und eine Steuerung umfasst, wobei der Manipulatorarm ein Gelenk und einen zum Antreiben des Gelenks konfigurierten Aktuatormechanismus umfasst, wobei die Steuerung mit einem ersten Steuermodus und einem zweiten Steuermodus konfiguriert ist, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: wenn sich die Steuerung sowohl im ersten Steuermodus als auch im zweiten Steuermodus befindet, Befehlen dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, eine externe Artikulation zuzulassen, um den Manipulatorarm durch Rückfahren des Gelenks umzukonfigurieren; und wenn die Steuerung im ersten Steuermodus ist, Befehlen dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, einen ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand als Reaktion darauf bereitzustellen, dass das Gelenk mit einer ersten Rückfahrgeschwindigkeit oberhalb eines ersten Geschwindigkeitsschwellenwerts rückgefahren wird, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand dem Rückfahren des Gelenks entgegenwirkt, wobei sich der erste Steuermodus vom zweiten Steuermodus zumindest durch den ersten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand ein geschwindigkeitsabhängiges Dämpfungsverhalten simuliert.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner Folgendes beinhaltet: wenn die Steuerung im zweiten Steuermodus ist, Befehlen dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, das Gelenk schwimmen zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner Folgendes beinhaltet: wenn die Steuerung im zweiten Steuermodus ist, Befehlen dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, einen zweiten geschwindigkeitsabhängigen Widerstand als Reaktion darauf bereitzustellen, dass das Gelenk mit einer zweiten Rückfahrgeschwindigkeit oberhalb eines zweiten Geschwindigkeitsschwellenwerts rückgefahren wird, wobei der zweite Geschwindigkeitsschwellenwert höher ist als der erste Geschwindigkeitsschwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Befehlen dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, eine externe Artikulation zuzulassen, um den Manipulatorarm umzukonfigurieren, Folgendes beinhaltet: Erhalten eines tatsächlichen Zustands des Gelenks durch die Steuerung; Bestimmen einer Abweichung zwischen einem befohlenen Zustand des Gelenks und dem tatsächlichen Zustand durch die Steuerung; wobei die Steuerung als Reaktion darauf, dass die Abweichung einen definierten Schwellenwert überschreitet, Folgendes durchführt: Justieren des befohlenen Zustands, um einen justierten befohlenen Zustand zu erzeugen, wobei eine Differenz zwischen dem justierten befohlenen Zustand und dem tatsächlichen Zustand kleiner als die Abweichung ist, und Anwenden des justierten befohlenen Zustands beim Geben von Befehlen an den Aktuatormechanismus; und wobei die Steuerung als Reaktion darauf, dass die Abweichung den definierten Schwellenwert nicht überschreitet, Folgendes durchführt: Anwenden des befohlenen Zustands beim Geben von Befehlen an den Aktuatormechanismus.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand mit dem Betrag zunimmt, um den die erste Rückfahrgeschwindigkeit den ersten Geschwindigkeitsschwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand linear mit dem Betrag ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei der Aktuatormechanismus einen Aktuator mit einer Geschwindigkeitsgrenze für die gegenelektromotorische Kraft umfasst, und wobei der erste Geschwindigkeitsschwellenwert unterhalb der Geschwindigkeitsgrenze für die gegenelektromotorische Kraft liegt.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner Folgendes beinhaltet: wenn die Steuerung im ersten Steuermodus ist, Befehlen dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, dem Rückfahren des Gelenks gemäß einem ersten Widerstands-Geschwindigkeits-Profil zu widerstehen; wenn die Steuerung im zweiten Steuermodus ist, Befehlen dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, dem Rückfahren des Gelenks gemäß einem zweiten Widerstands-Geschwindigkeits-Profil zu widerstehen, wobei sich das erste Widerstands-Geschwindigkeits-Profil vom zweiten Widerstands-Geschwindigkeits-Profil für alle Nicht-Null-Rückfahrgeschwindigkeiten unterhalb der Geschwindigkeitsgrenze der gegenelektromotorischen Kraft unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, das ferner Folgendes beinhaltet: wenn die Steuerung im ersten Steuermodus ist, Befehlen dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, einen geschwindigkeitsunabhängigen Widerstand bereitzustellen, der dem Rückfahren des Gelenks entgegenwirkt, so dass der geschwindigkeitsunabhängige Widerstand einem Benutzer ein haptisches Feedback gibt, das das Rückfahren veranlasst, wobei das haptische Feedback das Rückfahren des Gelenks im ersten Steuermodus vom Rückfahren des Gelenks im zweiten Steuermodus unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei der erste geschwindigkeitsabhängige Widerstand einem Benutzer ein haptisches Feedback gibt, das das Rückfahren des Gelenks im ersten Steuermodus veranlasst, wobei das haptische Feedback das Rückfahren des Gelenks im ersten Steuermodus vom Rückfahren des Gelenks im zweiten Steuermodus unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, das ferner Folgendes beinhaltet: wenn die Steuerung im ersten Steuermodus ist, Befehlen dem Aktuatormechanismus durch die Steuerung, einen geschwindigkeitsunabhängigen Widerstand bereitzustellen, der dem Rückfahren entgegenwirkt, als Reaktion darauf, dass das Gelenk mit einer Geschwindigkeit rückgefahren wird, die den ersten Geschwindigkeitsschwellenwert nicht überschreitet.
Nichtflüchtiges maschinenlesbares Medium, das eine Mehrzahl von maschinenlesbaren Befehlen umfasst, die von einem oder mehreren mit einem computergestützten System assoziierten Prozessoren ausgeführt werden, wobei die Mehrzahl von maschinenlesbaren Befehlen bewirkt, dass die ein oder mehreren Prozessoren das Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26 durchführen.