DE69317941T2 - Roboter zur Bewegungsführung und zugehöriges Steuerungsverfahren - Google Patents

Roboter zur Bewegungsführung und zugehöriges Steuerungsverfahren

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DE69317941T2
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    • G05B19/423—Teaching successive positions by walk-through, i.e. the tool head or end effector being grasped and guided directly, with or without servo-assistance, to follow a path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Roboter, die von einem Datenverarbeitungssystem gesteuert werden, um ein Werkzeug, das einstückig mit einem Arm des Roboters ausgebildet ist, einer gespeicherten Trajektorie folgen zu lassen.
  • Es gibt viele Roboter, welche ein Werkzeug, wie einen Fräser oder einen Schweißbrenner, entlang einer präzisen gespeicherten Trajektorie folgen lassen können. Um dieses Werkzeug entlang n Freiheitsgraden zu bewegen, benötigt der Roboter wenigstens n Achsen. Ein Freiheitsgrad entspricht einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung entlang einer Achse eines dreidimensionalen Bezugssystems. Mit 6 Freiheitsgraden sind alle Kombinationen aus Translation und Rotation eines Werkzeugs möglich (das Werkzeug kann innerhalb eines Aktionsbereich des Roboters mit jeder beliebigen Orientierung überall positioniert werden). Die Beziehung zwischen den Gelenkvariablen (den Drehwinkeln der Achsen des Roboters) und der Position und der Orientierung des Werkzeugs ist wie folgt:
  • P = f(A)
  • Wobei P ein Vektor ist, dessen Komponenten die Koordinaten der Position xi (i=1...3) und der Orientierung ri(i=1...3) des Werkzeugs darstellen, A ist ein Vektor, dessen Komponenten die Winkelvariablen aj (j=1...6) darstellen, und fist eine Vektorfunktion.
  • Eine kleine Änderung dA der Winkelvariablen um den Vektor A führt also zu einer kleinen Anderung dP des Positionsvektors gemäß der Beziehung
  • dP = [J(A)] dA,
  • wobei [3(A)] eine Funktionalmatrix ist, deren Koeffizienten Funktionen der Komponenten des Vektors A sind.
  • Wenn man die Präzision der Trajektorien sieht, die mit Robotern erhalten werden, könnte man versucht sein, sie in der Chirurgie einzusetzen. Die tatsächlichen Roboter bergen bei ihrer Bewegung jedoch Gefahren, die es verbieten, sie in der Chirurgie einzusetzen. Beim Ausfall der Steuerschaltung eines Motors des Roboters oder einfach aufgrund von Störungen im Netz, wie einer kurzen Unterbrechung des Stroms, kann der Roboter nämlich eine unkontrollierte Bewegung mit einer großen Amplitude und erheblicher Kraft machen, welche einen Patienten, an dem mit dem Roboter ein chirurgischer Eingriff vorgenommen wird, stark gefährdet.
  • Aktuell verwendet man in der Chirurgie Roboter nur für Vorpositionierungsvorgänge, wobei diese Roboter während des chirurgischen Eingriffs gesperrt sind. Eine neurochirurgische Behandlung besteht zum Beispiel darin, eine Nadel bei einer sehr präzisen Position in das Gehirn einzubringen (siehe das Dokument EP-A-0 326 768). Hierfür verwendet man einen Roboter, der einen Führungszylinder für die Nadel im Verhältnis zum Kopf des Patienten mit Hilfe eines Systems präzise positioniert, das es erlaubt, die Position des Kopfes anzupeilen. Wenn der Füluungszylinder einmal positioniert ist (ausreichend weit vom Patienten entfernt, damit eine unkontrollierte Bewegung des Roboters ihn nicht erreichen kann), werden die Achsen des Roboters gesperrt, und seine Versorgung wird unterbrochen. Danach bringt der Chirurg die Nadel auf gewünschte Weise in den Führungszylinder ein. Somit ist in der Chirurgie die Verwendung von Robotern tatsächlich auf das Markieren oder Anpeilen einer präzisen Anfangsposition beschränkt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Roboterdesign vorzusehen, das es erlaubt, ein Werkzeug präzisen Trajektorien nachzuführen, ohne daß die Gefahr unkontrollierter Bewegungen besteht.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Roboter vorzusehen, dessen Aktionen direkt von einer Bedienungsperson oder -einrichtung (Operator) kontrolliert werden, ohne daß andere motorische Kräfte in Gang gesetzt werden, als die von der Bedienungsperson oder -einrichtung oder -einrichtung vorgesehenen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Roboter vorzusehen, der es erlaubt, die Bewegungen einer Bedienungsperson oder -einrichtung passiv zu führen.
  • Diese Aufgaben werden mit einem Bewegungs-Führungsroboter erreicht, dessen Kraftmatrix von einer Bedienungsperson oder -einrichtung geliefert wird, welche ein mit dem Roboter einstückig ausgebildetes Werkzeug bewegt. Wie ein klassischer Roboter hat der Führungsroboter mehrere Freiheitsgrade (oder Achsen), denen jeweils Bewegungssensoren zugeordnet sind, welche mit einem Verarbeitungssystem verbunden sind, in dem eine Trajektorie gespeichert ist, der gefolgt werden soll. Wenn die Bedienungsperson oder -einrichtung das Werkzeug von der gespeicherten Trajektorie entfernt, verhindern geeignete Sperrmittel, die von dem Verarbeitungssystem gesteuert werden und die Motoren des Roboters ersetzen, jede zusätzliche Entfernung des Werkzeugs von der Trajektorie. Somit kann die Bedienungsperson oder -einrichtung das Werkzeug zu jeder Zeit nur entlang der gespeicherten Trajektorie bewegen. Die Sperrmittel sind passiv, d.h. sie sind so gestaltet, daß sie in nur einer Bewegung entgegengerichtet sein können und keine Bewegung auslösen können, wodurch die Möglichkeit jeder unkontrollierten Bewegung unterdruck wird.
  • Die vorliegende Erfindung sieht spezieller einen Roboter mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.
  • Gemaß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erlaubt die Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung die Bewegung entlang des zugehörigen Freiheitsgrades nur in einer Richtung, die geeignet ist, das Werkzeug in einen autorisierten Bereich eindringen zu lassen, der gegebenenfalls auf einen einzigen Punkt begrenzt sein kann, wenn sich das Werkzeug über die Bereichsgrenze hinausbewegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erlaubt die Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung die Bewegung entlang des zugehörigen Freiheitsgrades nur in einer Richtung, die geeignet ist, das Werkzeug entlang einer Richtung näher an die gespeicherte Trajektorie zu bringen, die zwischen der Normalen und der Tangente der Trajektorie liegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung zwei Freiläufe mit entgegengesetztem Drehsinn, wobei jeder Freilauf eine rechnergesteuerte Vorrichtung für die Ankopplung einer Achse aulweist, die den zugehörigen Freiheitsgrad bildet. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt jede Kopplungsvorrichtung eine Kupplung, die durch einen Elektromagneten gesteuert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Roboter für jeden Freiheitsgrad eine rechnergesteuerte Geschwindigkeits-Begrenzungsvorrichtung.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ferner ein Steuerverfahren für einen Roboter mit den Merkmalen von Anspruch 7 vor.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Bewegungsrichtung entlang jedes Freiheitsgrades von dem Vorzeichen einer Komponente entlang dieses Freiheitsgrades eines Vektors des Bewegungsraumes entlang der Freiheitsgrade bestimmt, der einem Vektor entspricht, der innerhalb des Raums der Positionen und Ausrichtungen des Werkzeugs die bevorzugte Richtung angibt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die bevorzugte Richtung die Normale zu der Grenze eines autorisierten Bereichs, der auf einen einzigen Punkt begrenzt sein kann, wenn sich das Werkzeug über die Grenze hinaus bewegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die bevorzugte Richtung zwischen der Normalen und der Tangente der gespeicherten Trajektone.
  • Diese sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind mit weiteren Einzelheiten in der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. In den Figuren zeigt:
  • Fig. 1 eine Ausführungsform einer Roboterachse gemäß der vorliegenden Erfindung; und Fig. 2A und 2B zeigen zwei Positionen eines zweiachsigen Roboters gemäß der Erfindung, um seine Funktion zu erläutern.
  • In Fig. 1 ist eine Achse A eines erfindungsgemäßen Roboters dargestellt. Diese Achse A ist z.B. einteilig mit einem Arm 10 ausgebildet und mit dem Ausgang eines ersten Getriebes 12 verbunden, das mit einem Gestell B fest verbunden ist, das z. B. Teil eines zweiten Roboterarms bildet. Die Eingangsachse A' des Getriebes ist mit einer Bremse 14 verbunden, die von einem Signal F gesteuert wird, mit einem Positionssensor, wie einer Codierscheibe 16, die mit einem Lichtdetektor 17 zusammenarbeitet, der ein Drehwinkelsignal a liefert, sowie mit dem Ausgang eines zweiten Getriebes 20. Gegebenenfalls kann ein drittes Getriebe zwischen der Bremse und dem Positionssensor vorgesehen sein.
  • Die bis hier beschriebenen Elemente sind Elemente, die man üblicherweise in den Gelenken eines Roboters findet. Die Eingangsachse A" des Getriebes 20 ist typischerweise mit einem Motor verbunden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Achse A" mit zwei auskuppelbaren Freilaufrädem 22, 23 verbunden. Der Freilauf 22 erlaubt die Drehung der Achse A über die Getriebe 12, 20 in nur einer Richtung S-, wenn das Steuersignal C- aktiviert ist. Der Freilauf 23 erlaubt die Drehung der Achse in nur der entgegengesetzten Richtung S+, wenn das Steuersignal C+ aktiviert ist. Wenn das zu einem Freilauf gehörende Steuersignal C deaktiviert ist, erlaubt der Freilauf die Drehung der Achse A in beiden Richtungen.
  • Mit dieser Konfiguration gewährleistet die Achse A vier Funktionen:
  • - eine freie Drehung in beiden Richtungen S+ und S-, wenn die Signale C+ und C- deaktiviert sind;
  • - eine Drehung nur in der Richtung 5+, wenn das Signal C+ aktiviert und das Signal C- deaktiviert ist;
  • - eine Drehung nur in der entgegengesetzten Richtung 5-, wenn das Signal C- aktiviert und das Signal C+ deaktiviert ist; und
  • - eine Sperrung, wenn beide Signale C+ und C- aktiviert sind.
  • Die Bremse 14 stellt die eine oder die andere von zwei verschiedenen Funktionen sicher, nämlich die Drehzahl der Achse A auf einen durch das Signal F bestimmten Wert zu begrenzen oder eine durch das Signal F bestimmte Bremskraft auszuüben. Die Bremse ist normalerweise sperrend, um den Roboter im Falle eines Fehlerstroms zu sperren. Zur doppelten Absicherung sind die entkuppelbaren Freilaufräder normalerweise eingekuppelt (die Signale C+ und C- sind aktiv, wenn der Strom unterbrochen ist). Um den Roboter nach dem Auftreten eines Fehlerstroms bewegen zu können, können die Bremsen und die Freilaufräder so konzipiert sein, daß man sie manuell entsperren kann.
  • Als Beispiel eines auskuppelbaren Freilaufs, der normalerweise eingekuppelt oder eingerückt ist, kann man sich einen Freilauf vorstellen, der mit einer Kupplung verbunden ist und gesteuert von einem Elektromagneten ausgekuppelt wird.
  • Ein nicht dargestelltes Verarbeitungssystem speichert Daten, wie die Punkte einer Trajektorie oder einer Oberfläche. Als Funktion von Signalen a, die von den Drehsensoren 16, 17 jeder Achse des Roboters geliefert werden, liefert es Steuersignale C+ und C- für die Freilaufräder und F für die Bremsen jeder Achse des Roboters, um die im folgenden beschriebenen Funktionen zu realisieren.
  • Ein Roboter gemäß der vorliegenden Erfindung kann gemäß zwei Grundfünktionen arbeiten, die im folgenden "Bereichsmodus" und "orientierter Folgemodus" genannt sind. Der Bereichsmodus erlaubt es einer Bedienungsperson oder -einrichtung ein Werkzeug in einer durch Oberflächen begrenzten Zone zu bewegen. Der orientierte Folgemodus zwingt die Bedienungsperson oder -einrichtung, einer Trajektorte in einer vorgegebenen Richtung eng zu folgen.
  • Ein Roboter gemäß der Erfindung kann von einem Chirurgen verwendet werden, der z.B. einen genauen Skalpellschnitt durchführen muß. Der Skalpellschnitt wird dabei so wie die Trajektorie gespeichert. Während einer Annäherungsphase an die Trajektorie kann der Chirurg zuvor das Skalpell frei bis zu einer bestimmten Distanz zum Patienten bewegen; dabei wird der Roboter in dem Bereichsmodus betrieben, bei dem eine erlaubte Zone mit großen Abmessungen definiert ist. Der Chirurg muß dann das Skalpell in einer erlaubten Zuführzone greifen, die an den Anfang der Trajektorie angrenzt. Der Trajektorie kann dann in dem orientierten Folgemodus gefolgt werden oder auch in dem Bereichsmodus, indem eine Tunnelzone definiert wird, welche die Trajektorie umgibt.
  • Die Fig. 2A und 2B zeigen zwei Positionen eines zweiachsigen Roboters, der in dem Bereichsmodus gesteuert wird, so daß ein Punkt P des Roboters in einer Zone Z bleibt. Diese Zone ist zweidimensional und von Grenzkurven eingegrenzt, die in dem Verarbeitungssystem gespeichert sind. Der Roboter umfaßt eine erste Achse A1, bei der erfindungsgemäß ein erster Arm 41 an einem Gestell angelenkt ist. Ein zweiter Arm 42 ist an dem freien Ende des Arms 41 erfindungsgemäß über eine zweite Achse A2 angelenkt. Der Punkt P liegt am freien Ende des Arms 42.
  • Das Informationssystem berechnet laufend die Position des Endes P, indem es sich der Angaben bedient, die von den Sensoren der Achsen A1 und A2 geliefert werden, unter Berücksichtigung der Längen der Arme 41 und 42, gemäß der zuvor genannten Beziehung P=f(A).
  • In Fig. 2A liegt das Ende P in der erlaubten Zone Z, und die Achsen A1 und A2 werdenjeweils so angesteuert, daß eine freie Drehung in den beiden Richtungen 5+ und 5- möglich ist. Das Ende P kann somit in jeder Richtung frei verschoben werden.
  • In Fig. 2B überschreitet das Ende P die Grenze der Zone Z. Die Achsen A1 und A2 werden daher so angesteuert, daß eine Drehung jeweils nur in der richtigen Richtung (S- für beide Achsen) erlaubt ist, um das Ende P wieder in die Zone Z eindringen zu lassen.
  • Mit der oben beschriebenen Funktionsweise kann eine Bedienungsperson oder -einrichtung das Ende P nur zum Inneren der Zone Z hin verschieben, wobei jeder Versuch diese Zone zu verlassen sofort erkannt und verhindert wird, indem die nötigen Freiläufe der Achsen A1 und A2 angesteuert werden.
  • Bei einer tatsächlichen Steuerung hat der Roboter eine Reaktionszeit (die Zeit für die Berechnung der Position und die Reaktion der auskuppelbaren Freilaufräder), die es verhindert, sofort zu erkennen, wenn der zu steuemde Punkt eine Grenzposition erreicht, und sofort zu reagieren. Abhängig von der Geschwindigkeit der Bewegung des Punktes kann dieser also vorder Erfassung die Grenzposition mehr oder weniger weit überschreiten. Man wird daher verstehen, daß die Begrenzung der Geschwindigkeit 14 wichtig ist; durch Begrenzen der Geschwindigkeit auf einen bekannten Wert und bei Bekanntsein der Reaktionszeit ist auch der maximale Wert des Überschreitens bekannt. Dieses Überschreiten kann somit eingestellt werden, indem die Grenzgeschwindigkeit eingestellt wird.
  • Aus Gründen der Vereinfachung findet die Bewegung in den Fig. 2A und 2B in einer Ebene statt. In der Realität ist die begrenzte Zone Z dreidimensional, wenn man die Position des Punktes kontrollieren will, und sie hat sechs Dimensionen, wenn man auch die Ausrichtung des Werkzeugs kontrollieren will.
  • Allgemeiner besteht also der "Bereichsmodus" darin, Grenzflächen zu speichern, innerhalb derer sich das Werkzeug frei bewegen darf Die Grenzflächen sind vorzugsweise aus einfachen Flächen zusammengesetzt, wie Ebenen, Zylinderabschnitten, Kugelabschnitten und dergleichen. Das Verarbeitungssystem berechnet also laufend die minimale Distanz zwischen dem Werkzeug und einer Grenzfläche Wenn das Werkzeug eine Grenzfläche erreicht oder überschreitet, müssen die Achsen des Roboters derart angesteuert werden, daß das Werkzeug nur noch in Richtung der Innenseite der Grenzfläche bewegt werden kann.
  • Wenn man die Bewegung eines Werkzeugs entlang n Freiheitsgraden (n ≤ 6) steuern will, sind die Grenzflächen Flächen der Dimension n-1 (Hyperflächen des Raumes mit der Dimension n). Im folgenden beziehen sich Ausdrücke wie "Punkt", "Position", "Trajektorie" etc. auf den Raum der Dimension n, d.h. ein Punkt definiert z.B. die Position und Orientierung eines Werkzeugs. Um die verschiedenen Achsen des Roboters zu steuern, wenn eine Grenz- Hyperfläche überschritten wurde, kann auffolgende Weise vorgegangen werden.
  • Zunächst bestimmt man die Senkrechte auf die Grenzfläche, die durch die Gerade, welche durch den Punkt P der aktuellen Position des Werkzeugs geht, und den Punkt H der Grenzfläche, die den Punkt P am nächsten ist, definiert ist. Von dieser Normalen wird ein Vektor N abgeleitet, der in Richtung der Innenseite der Grenzfläche gerichtet ist. Dann wird die Beziehung
  • AN=[Y&supmin;¹]N
  • angewendet, wobei [J&supmin;¹] die Inverse der zuvor genannten Matrix [J] ist, die eine Anderung der Position dP mit einer Anderung dA der Gelenkvariablen A verknüpft.
  • So erhält man eine Wertemenge AN für die Drehwinkel;
  • - wenn ein Wert positiv ist, darf sich die entsprechende Achse nur in positiver Richtung drehen;
  • - wenn ein Wert negativ ist, darf sich die entsprechende Achse nur in negativer Richtung drehen; und
  • - wenn ein Wert null ist, ist die entsprechende Achse gesperrt.
  • Die Anzahl n der Freiheitsgrade des Roboters, der erfindungsgemäß gesteuert werden soll, kann niedriger als die gesamte Anzahl sein. In diesem Fall bleiben die Freiheitsgrade gesperrt oder frei, z.B. wenn man eine freie Drehung des Werkzeugs um eine Achse ständig verhindem bzw. zulassen will.
  • Fig. 3 zeigt, wie im orientierten Folgemodus vorgegangen wird, um einer gespeicherten Trajektorie zu folgen, wobei wiederum der n-dimensionale Raum betrachtet wird. In einer unendlichen Schleife werden die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:
  • - Berechnen der aktuellen Position P des Werkzeugs;
  • - Finden eines Vektors N, der durch die Position P geht, senkrecht zur Trajektorie ist und zur Trajektorie hinzeigt;
  • - Finden eines Vektors Tg, der senkrecht zum Vektor N (eine Tangente an die Trajektorie) und in die gewtlnschte Richtung gerichtet ist;
  • - Berechnen eines Vektors V als Linearkombination der positiven Koeffizienten der Vektoren N und Tg; und
  • - Berechnen einer Menge AV der Werte der Drehwinkel der Achsen des Roboters durch Verwendung der Inversfünktionalmatrix [J&supmin;¹] auf den Vektor V.
  • Dadurch erhält man eine Wertemenge AV für die Winkel. Auf diese Wertemenge werden Regeln angewendet, die zuvor für die Menge AN definiert wurden. Daraus ergibt sich, daß das Werkzeug ausgehend von der aktuellen Position entlang der gewünschten Richtung (Tg) und in Richtung (N) der Trajektorie bewegt werden kann.
  • Die Koeffizienten, welche den Vektor V mit den Vektoren N und Tg verbinden, können von dem Abstand zwischen der Position P und der Trajektorie abhängig sein, wobei dann, wenn der Abstand groß ist, der Vektor V eine Richtung hat, die in der Nähe der Richtung des Vektors N liegt, und wenn der Abstand gering ist, hat der Vektor V eine Richtung, die in der Nähe der Richtung des Vektors Tg liegt.
  • Bei einer Variante der beschriebenen Verfahren, mit der die Rechenzeit verkürzt werden kann, werden die Grenzflächen und die Trajektorien im voraus in dem Raum der Gelenkvariablen gespeichert. Hierfür wird an geeignet gewählte Punkte P der Flächen und der berücksichtigten Trajektorien im Raum der Positionen und Orientierungen (die fehlenden Punkte werden nach Bedarf interpoliert) die Formel A = f&supmin;¹(P) angelegt, wobei f&supmin;¹ die inverse Funktion der zuvor genannten Funktion f ist. Es ist somit nicht notwendig, für die Ermittlung der Drehrichtung der Achsen die Matrizen J und deren jeweilige inverse Matrizen in Echtzeit zu berechnen. Die Drehrichtungen der Achsen werden vielmehr direkt durch die Vorzeichen der Komponenten der Vektoren N (für den Bereichsmodus) und V (für den orientierten Folgemodus) geliefert, wobei diese Vektoren gemäß den oben erläuterten Schritten ermittelt werden, die in dem Raum der Gelenkvariablen angewendet werden.
  • Ein Roboter gemäß der Erfindung kann auch dazu verwendet werden, daß eine Bedienungsperson ein Werkzeug in Richtung einer präzisen Position P&sub0; führt. Die Position P&sub0; entspricht einer Wertemenge a0j der Drehwinkel der Achsen. Die Drehrichtung jeder Achse wird, solange die Position nicht erreicht ist, durch das Vorzeichen des Ausdrucks a0j-aj bestimmt, wobei aj der aktuelle Wert des Drehwinkels der Achse Aj ist. Dieser Betriebsmodus kann mit dem Bereichsmodus verglichen werden, dessen erlaubte Zone auf einen zu erreichenden Punkt P beschränkt ist.
  • Damit die Bedienungsperson der Trajektorie leichter folgen kann, kann man der Bedienungsperson die Information über die Positionen in verschiedenen Formen liefern (akustisch, optisch). Man kann zum Beispiel die gespeicherte Trajektorie sowie die aktuelle Position des Werkzeugs auf einem Bildschirm darstellen. Um ein deutlicheres Gefühl für die Führung zu vermitteln, kann man darüberhinaus die Bremsen 14 so ansteuern, daß ihre Bremskraft z.B. proportional zum Abstand der Position zur Trajektorie ist.
  • Ein Roboter gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Anordnung aus leichten Armen aufweisen, um der Trajektorie präzise folgen zu können, sowie eine Anordnung aus starken Armen für die Annäherungsphase des Roboters, wobei diese starken Arme gesperrt werden, gegebenenfalls in bezug auf einer Ortungsvorrichtung für die Lage eines Patienten, wenn die Annäherung erfolgt ist.
  • Das Verarbeitungs-Steuersystem kann den Patienten mit Hilfe bekannter Systeme anpeilen, z.B. mit Systemen wie sie bereits in der Neurochirurgie verwendet werden, um einen Führungszylinder für eine Nadel relativ zum Kopf des Patienten zu positionieren.
  • Die vorliegende Erfindung wurde in bezug auf Roboter mit Drehachsen beschrieben. Sie ist selbstverständlich ebenso auf Roboter mit Transiationsachsen anwendbar.
  • Der Fachmann weiß, wie er das Verarbeitungssystem programmieren muß, um die Achsen gemäß der Erfindung als Funktion der Positionsberechnung und der zu berücksichtigenden gespeicherten Trajektorie richtig anzusteuern.
  • Dem Fachmann werden sich zahlreiche Varianten und Modifikationen der vorliegenden Erfindung ergeben. Er kann viele Steuerverfahren konzipieren, die zu den beschriebenen aquivalent sind. Um einer Trajektorie T ausgehend von der Position in Fig. 2A zu folgen, kann man z.B. auch eine der Achsen sperren, z.B. A1, und die Achse A2 freigeben, um das Ende 43 entlang eines Kreisbogens bis zur Grenze T2 zu bewegen. Wenn die Grenze T2 erreicht ist, sperrt man die Achse A2 und gibt die Achse A1 frei, damit man das Ende 43 bis zur Grenze T1 bewegen kann, wo man die Achse A1 von neuem sperrt und die Achse A2 freigibt und so weiter.
  • Für den Roboter der vorliegenden Erfindung kann man viele, hier nicht beschriebene Anwendungen finden, insbesondere bei der Rehabilitation, für das Lernen von Bewegungen etc., wobei das genannte Werkzeug z.B. auch ein Band sein kann, das an einem Element befestigt ist.

Claims (10)

1. Führungsroboter, mit mehreren Freiheitsgraden (A), wobei jeder Freiheitsgrad zwei Bewegungsrichtungen (S+, S) umfaßt, mit folgenden Merkmalen:
- einem Werkzeug&sub1; das an einem Ende der Struktur angebracht ist, wobei dieses Werkzeug manuell und ausschließlich durch eine Bedienungsperson bewegbar ist;
- Bewegungssensoren (16, 17), die den jeweiligen Freiheitsgraden der Struktur zugeordnet sind und die mit einem Rechnersystem zum Speichern einer Trajektone (T) verbunden sind, um die Position des Werkzeuges mit Hilfe der Information der Sensoren zu berechnen und um für jeden Freiheitsgrad ein Steuersinal (C+) C-) mit vier möglichen Werten vorzusehen, wobei diese Werte abhängig von der Position des Werkzeuges in Bezug auf die Trajektoire sind; und
- einer Blockiervorrichtung (22, 23) für jeden Freiheitsgrad, um
eine Bewegung in den zwei Richtungen des Freiheitsgrades zuzulassen, wenn das zugehörige Steuersignal einen ersten Wert aufweist;
eine Bewegung nur in der ersten Richtung des Freiheitsgrades zuzulassen, wenn das zugehörige Steuersignal einen zweiten Wert aufweist;
eine Bewegung nur in der zweiten Richtung des Freiheitsgrades zuzulassen, wenn das Steuersignal einen dritten Wert aufweist; und
keine Bewegung entlang des Freiheitsgrades zuzulassen, wenn das Steuersignal einen vierten Wert aufweist.
2. Struktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiervorrichtung (22, 23) die Bewegung entlang des entsprechenden Freiheitsgrades nur in einer Richtung zuläßt, die geeignet ist, das Werkzeug dazu zu bringen, in einen autorisierten Bereich (Z) einzudringen, der auf einen einzelnen Punkt begrenzt sein kann, wenn sich das Werkzeug über die Bereichsgrenze hinausbewegt.
3. Struktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiervorrichtung (22, 23) die Bewegung entlang des entsprechenden Freiheitsgrades nur in einer Richtung zuläßt, die geeignet ist, das Werkzeug näher an die gespeicherte Trajektorie (T) entlang einer Richtung (V) zu bringen, die zwischen der Normalen (N) und der Tangente (Tg) der Trajektone liegt.
4. Struktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiervorrichtung (22, 23) zwei Freiläufe mit entgegengesetzten Drehrichtungen aufweist, wobei jeder Freilauf eine rechnergesteuerte Vorrichtung für die Ankopplung an eine Achse, die den zugehörigen Freiheitsgrad bildet, aufweist.
5. Struktur gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kopplungsvorrichtung eine Kupplung umfaßt, die durch einen Elektromagneten gesteuert wird.
6. Struktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie für jeden Freiheitsgrad eine rechnergesteuerte Geschwindigkeits-Begrenzungsvorrichtung (14) vorsieht.
7. Steuerungsverfahren eines Führungsroboters, der mehrere Freiheitsgrade aufweist, wobei jedem Freiheitsgrad ein Bewegungssensor (16, 17) zugeordnet ist, der dazu dient, ein Werkzeug, das einstückig mit einem Ende der Struktur ausgebildet ist, einer Trajektorle (T) folgen zu lassen, die in einem Rechnersystem gespeichert ist,
gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Bewegen eines Werkzeuges manuell und ausschließlich durch eine Bedienungsperson;
- Berechnen der aktuellen Position (P) des Werkzeuges, und als Funktion dieser Position, Bestimmen einer bevorzugten Richtung (N, V), der das Werkzeug folgen soll und eines Steuersignals (0+, 0-), das vier mögliche Werte aufweist;
- Zulassen einer Bewegung in den zwei Richtungen des Freiheitsgrades, wenn das zugehörige Steuersignal einen ersten Wert aufweist;
- Zulassen einer Bewegung nur in der ersten Richtung des Freiheitsgrades, wenn das zugehörige Steuersignal einen zweiten Wert aufweist;
- Zulassen einer Bewegung nur in der zweiten Richtung des Freiheitsgrades, wenn das Steuersignal einen dritten Wert aufweist; und
- Zulassen keiner Bewegung entlang des Freiheitsgrades, wenn das Steuersignal einen vierten Wert aufweist.
8. Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung entlang jedes Freiheitsgrades durch das Vorzeichen einer Komponente eines Vektors (AN, AV) des Bewegungsraums entlang der Freiheitsgrade abhängig von diesem Freiheitsgrad bestimmt wird, der einem Vektor (N, V) entspricht, der die bevorzugte Richtung innerhalb des Raums der Positionen und Ausrichtungen des Werkzeuges anzeigt.
9. Steuerungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugte Richtung die Normale (N) zu der Grenze eines autorisierten Bereichs (Z) darstellt, der auf einen einzelnen Punkt begrenzt sein kann, wenn sich das Werkzeug über die Grenze hinaus bewegt.
10. Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugte Richtung (N, V) zwischen der Normalen (N) und der Tangente (Tg) der gespeicherten Trajektone liegt.
DE69317941T 1992-05-12 1993-05-10 Roboter zur Bewegungsführung und zugehöriges Steuerungsverfahren Expired - Lifetime DE69317941T2 (de)

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