EP3435905A1 - Medizinischer manipulator und verfahren zum steuern eines medizinischen manipulators - Google Patents

Medizinischer manipulator und verfahren zum steuern eines medizinischen manipulators

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Publication number
EP3435905A1
EP3435905A1 EP17714639.6A EP17714639A EP3435905A1 EP 3435905 A1 EP3435905 A1 EP 3435905A1 EP 17714639 A EP17714639 A EP 17714639A EP 3435905 A1 EP3435905 A1 EP 3435905A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
manipulator
tool
mass
control
mass distribution
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17714639.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henrik Keller
Tobias Reichl
Oliver Thilmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Deutschland GmbH
Original Assignee
KUKA Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Deutschland GmbH filed Critical KUKA Deutschland GmbH
Publication of EP3435905A1 publication Critical patent/EP3435905A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/0052—Gripping heads and other end effectors multiple gripper units or multiple end effectors
    • B25J15/0066—Gripping heads and other end effectors multiple gripper units or multiple end effectors with different types of end effectors, e.g. gripper and welding gun
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1628—Program controls characterised by the control loop
    • B25J9/1638—Program controls characterised by the control loop compensation for arm bending/inertia, pay load weight/inertia
    • 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
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39176—Compensation deflection arm

Definitions

  • the present invention relates to a medical manipulator and a method for controlling a medical manipulator.
  • the medical manipulator can be used, for example, in robotic surgery.
  • a medical manipulator is used in robotic surgery for minimally invasive surgical procedures.
  • the organism is less heavily loaded and possibly remaining scars are only very small.
  • interventions with a very high precision can be carried out in the smallest space in and on the human body.
  • the arm of a medical manipulator can be a plurality of tools, such. a camera system, a scalpel and a gripper, be attached. These tools can be moved in or out of the human body, for example, by means of linear axes via a trocar.
  • Tool is interpreted by the manipulator control as a force coming from the hand
  • Deviations of the tool from the Sollpose or Sollbahn be reduced to increase the precision of the manipulator and provide ergonomic operation in a hand-held manipulator control.
  • a medical manipulator comprising a manipulator arm, an end effector attached to the
  • Manipulator is attached and having at least one tool with a changing mass and / or mass distribution, a manipulator control for controlling the medical manipulator, the manipulator controller in each control step uses a current load data matrix with the changing mass and / or mass distribution of the tool Deviations from a Sollpose or desired path of the tool to avoid.
  • Tool can change in that the tool is moved relative to the manipulator. As described above, in a surgical procedure, this can be done by inserting or removing tools in and out of the human body.
  • the mass of the tool may change when, for example, objects are picked up with a gripper, or, for example, by introducing or depositing objects or substances into the body, such as, e.g. Stents in vascular surgery or staples for closing wounds.
  • the mass of the tool may change when, for example, objects are picked up with a gripper, or, for example, by introducing or depositing objects or substances into the body, such as, e.g. Stents in vascular surgery or staples for closing wounds.
  • Tooling can also change by pumping saltwater into a balloon to expand it. Because of the manipulator control in each Control step uses a current load data matrix, always the current values of the mass and mass distribution of the tool are taken into account in the scheme, whereby a deviation from the Sollpose or desired path of the tool is avoided. In addition, the pose of the manipulator is precise because the current load data matrix is updated in each control step.
  • the manipulator control preferably uses a dynamic model of the tool, in the calculation of which the changing mass and / or mass distribution of the tool is included. Changes in the mass and / or mass distribution that occur due to the movement of the mechanical elements are taken into account in the dynamics model and the manipulator control can be adjusted accordingly. With the help of the dynamics model, the load data can also be determined with a higher temporal resolution in the manipulator control. In addition, the manipulator control can also determine future values, in particular the values of the mass distribution of the tool, from the dynamics model and
  • the dynamics model of the tool is in the dynamics model of
  • the manipulator control preferably takes into account the knowledge of a change in the mass and / or mass distribution of the tool. This allows preparatory calculations to be carried out or consistent values to be recognized. This facilitates subsequent calculations and makes data processing faster overall. In addition, a deviation already during a time step
  • the end effector has a plurality of tools that can be moved independently of each other with respect to the manipulator arm.
  • the simultaneous use of several tools, such as a camera and a gripper the operator of the manipulator is facilitated by, for example, get better insight into the operating area.
  • more complex tasks can be performed by, for example, a gripper Keep opening free while working with a scalpel in the opening. Due to the independent flexibility of the tools, it is optionally possible to introduce only certain tools in the respective trocar, which increases the clarity at work.
  • the mass distribution is calculated via the known position of one or more mechanical elements of the tool and then fed to the manipulator control.
  • the calculation of the mass distribution can be done in the manipulator control as well as directly in the tool (end effector).
  • the mass distribution can be calculated in advance and indirectly, so that deviations from a Sollpose or desired path of the tool are avoided from the outset.
  • the manipulator control can take account of this coming change in the position of these, preferably driven mechanical elements, before or in the next control step.
  • a mechanical element is a linear axis.
  • a linear axis extremely precise positioning and highly dynamic movements are possible. This is especially relevant for applications in a medical manipulator where work is done in a very small space (in the human body).
  • This procedure increases the precision of the movements of the manipulator and improves the ergonomics of manually-controlled manipulator work by keeping the current values of mass and mass distribution of the tool in each
  • Control step in the manipulator control are taken into account.
  • a dynamics model is used in the manipulator control, in whose calculation the changing mass and mass distribution of the tool are included.
  • the manipulator control itself controls the mechanical elements, then the values for the mass distribution of the tool in each can be determined
  • Mass distributions are calculated according to the dynamics model and in the
  • the dynamics model of the tool is included in the dynamics model of the tool
  • Integrated manipulator By using a global dynamics model, fewer interfaces between manipulator control and dynamic model (s) are required, which reduces communication errors and the overall control error rate.
  • the manipulator control preferably takes into account the knowledge about a change of mass and mass distribution. As a result, the control method can react to the error more quickly, namely already in the current or subsequent time step (control cycle), and control it accordingly. In addition, the determination of the
  • Load data matrix can be optimized in terms of the volume of data to be calculated, the number of calculations or the speed, resulting in shorter
  • the mass distribution is calculated via the known position of one or more mechanical elements of the tool and then fed to the manipulator control. Since the position of the mechanical elements is generally very precisely determinable, the values of the mass distribution can be determined very precisely. Overall, this leads to a very precise manipulator control. Information about a current and / or upcoming change of the position of the mechanical elements of the tool from an electronic device is preferred.
  • Control unit that controls the mechanical elements to which
  • Fig. 1 shows a schematic structure of a medical manipulator according to the present invention.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a medical manipulator 1.
  • a manipulator arm 10 is attached on a base mounting surface B.
  • a manipulator arm 10 is attached on a base mounting surface B.
  • the manipulator arm 10 consists of three arm parts A and two
  • the kinematic chain of the manipulator arm 10 can also have any other number of arm parts A and joints G.
  • the kinematic chain of the manipulator arm 10 can also have any other number of arm parts A and joints G.
  • Manipulator 10 can be moved freely in all directions. On the manipulator arm 10, an end effector 20 is attached, the at least one
  • Tool 21, 22, 23 comprises, which has a changing mass and / or mass distribution.
  • the tools 21, 22, 23 are movable relative to the manipulator arm 10 and change in such movements their respective mass distribution with respect to the manipulator arm 10.
  • the tools 21, 22, 23 can thereby For example, be moved by means of mechanical elements 52 regardless of the pose or movement of the manipulator arm 10.
  • the end effector 20 has three tools 21, 22, 23, which can be moved individually by means of the mechanical elements 52,
  • the end effector 20 can also have any other number of tools 21, 22, 23. If the tools 21, 22, 23, in particular the medical instruments, for example, are inserted as far as possible into the body of a patient, then the mass distribution of the tool is at maximum forward. If all tools or instruments 21, 22, 23 are led out of the body of the patient at maximum, the mass distribution is maximally far behind.
  • the electronic control unit 50 controlled.
  • the electronic control unit 50 preferably transmits information about the position of the mechanical elements 52 to the manipulator control 30 via data connections 60.
  • the manipulator control 30 has a current load data matrix 40, which is preferably selected by the controller 30 from the current mass distributions and masses of the
  • Tools 21, 22, 23 is calculated.
  • the current mass distributions and masses of the tools 21, 22, 23 can be stored in the controller 30 as data 46. Due to the use of the current load data matrix, the movement of the medical manipulator 1 is performed exactly according to the specifications of an operator or a program.
  • the current load data matrix 40 is also using a
  • Dynamic model 42 of the tool or tools 21, 22, 23 are determined.
  • the data 46 on the mass distribution and mass of the tool 21, 22, 23 can from the
  • medical manipulator 1 are routed via the data link 60 in each control step to the manipulator control 30 or is calculated in each control step from the dynamics model 42.
  • the dynamics model of the tool 42 can also be integrated into the dynamics model of the manipulator 44.
  • Load data matrix 40 updated in each control step By taking into account the actual mass distribution and the mass 46, the manipulator control 30 can determine the forces and moments occurring on the tool 21, 22, 23 and correct the pose or track of the tool so that a deviation to a
  • the dynamics model 42, 44 may be extrapolated into the future to determine values for the mass distribution 46 that lie in the future.
  • information about planned changes of the mechanical elements 52 from the electronic control unit 50 to the manipulator control unit 30 can also be provided
  • movement or pose of the tool 21, 22, 23 may be allowed without deviation from the desired or desired pose, although the mass or mass distribution of the tool 21, 22, 23 changes.

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Abstract

Medizinischer Manipulator 1, aufweisend einen Manipulatorarm 10, einen Endeffektor 20, der am Manipulatorarm 10 befestigt ist und der mindestens ein Werkzeug 21, 22, 23 mit einer sich ändernden Masse und/oder Masseverteilung 46 aufweist, eine Manipulatorsteuerung 30 zum Steuern des medizinischen Manipulators 1, wobei die Manipulatorsteuerung 30 in jedem Regelungsschritt eine aktuelle Lastdatenmatrix 40 mit der sich ändernden Masse und/oder Masseverteilung 46 des Werkzeugs 21, 22, 23 verwendet, um Abweichungen von einer Sollpose oder Sollbahn des Werkzeugs 21, 22, 23 zu vermeiden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zum Steuern eines medizinischen Manipulators.

Description

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

Claims

Ansprüche
Medizinischer Manipulator (l), aufweisend: a. einen Manipulatorarm (10); b. einen Endeffektor (20), der am Manipulatorarm (10) befestigt ist und der mindestens ein Werkzeug (21, 22, 23) mit einer sich ändernden Masse und/oder Masseverteilung (46) aufweist; c. eine Manipulatorsteuerung (30) zum Steuern des medizinischen
Manipulators (1); wobei d. die Manipulatorsteuerung (30) in jedem Regelungsschritt eine aktuelle Lastdatenmatrix (40) mit der sich ändernden Masse und/oder
Masseverteilung (46) des Werkzeugs (21, 22, 23) verwendet, um
Abweichungen von einer Sollpose oder Sollbahn des Werkzeugs (21, 22, 23) zu vermeiden.
Medizinischer Manipulator gemäß Anspruch 1, wobei die Manipulatorsteuerung (30) ein Dynamikmodell des Werkzeugs (42) verwendet, in dessen Berechnung die sich ändernde Masse und/oder Masseverteilung des Werkzeugs (21, 22, 23) mit eingehen.
Medizinischer Manipulator gemäß Anspruch 2, wobei das Dynamikmodell des Werkzeugs (42) in einem Dynamikmodell des Manipulators (44) integriert ist. 4· Medizinischer Manipulator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Manipulatorsteuerung (30) das Wissen über eine Änderung der Masse und/oder Masseverteilung des Werkzeugs (46) berücksichtigt. Medizinischer Manipulator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Endeffektor (20) eine Mehrzahl von Werkzeugen (21, 22, 23) aufweist, die bezüglich des Manipulatorarms (10) unabhängig voneinander bewegt werden können.
Medizinischer Manipulator gemäß Anspruch 1, wobei die Masseverteilung (46) über die bekannte Position eines oder mehrerer mechanischer Elemente (52) des Werkzeugs (21, 22, 23) berechnet und dann der Manipulatorsteuerung (30) zugeführt wird.
Medizinischer Manipulator gemäß Anspruch 6, wobei eine elektronische Steuerungseinheit (50), die die mechanischen Elemente (52) steuert, eine Information über eine aktuelle und/oder kommende Änderung der Position der mechanischen Elemente (52) des Werkzeugs (21, 22, 23) an die
Manipulatorsteuerung (30) übermittelt.
Medizinischer Manipulator gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das mechanische Element (52) eine Linearachse ist.
Verfahren zum Steuern eines medizinischen Manipulators (1), aufweisend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Manipulatorarms (10) mit einem daran befestigten Endeffektor (20), der mindestens ein Werkzeug (21, 22, 23) mit einer sich ändernden Masse und/oder Masseverteilung aufweist; b. Steuern des medizinischen Manipulators (1) mit Hilfe einer
Manipulatorsteuerung (30); c. Verwenden einer aktuellen Lastdatenmatrix (40) der sich ändernden Masse und/oder Masseverteilung des Werkzeugs (21, 22, 23) in der Manipulatorsteuerung (30) in jedem Regelungsschritt, um ungewollte Abweichungen von einer Sollpose oder Sollbahn des Werkzeugs (21, 22, 23) zu vermeiden.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, weiterhin aufweisend das Verwenden in der
Manipulatorsteuerung (30) eines Dynamikmodells (42) in dessen Berechnung die sich ändernde Masse und Masseverteilung des Werkzeugs (21, 22, 23) mit eingehen.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Dynamikmodell des Werkzeugs (42) in das Dynamikmodell des Manipulators (44) integriert ist.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die
Manipulatorsteuerung (30) das Wissen über eine Änderung von Masse und Masseverteilung berücksichtigt.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Masseverteilung (46) über die bekannte Position eines oder mehrerer mechanischer Elemente (52) des Werkzeugs (21, 22, 23) berechnet und dann der Manipulatorsteuerung (30) zugeführt wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, weiterhin aufweisend den Schritt des
Übermitteins einer Information über eine aktuelle und/oder kommende Änderung der Position der mechanischen Elemente (52) des Werkzeugs (21, 22, 23) von einer elektronische Steuerungseinheit (50), die die mechanischen Elemente (52) steuert, an die Manipulatorsteuerung (30).
29. März 2016
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