EP4387553A1 - Medizinischer kollaborativer roboter mit justierbarem roboterarm und steuerverfahren - Google Patents

Medizinischer kollaborativer roboter mit justierbarem roboterarm und steuerverfahren

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EP4387553A1
EP4387553A1 EP22764811.0A EP22764811A EP4387553A1 EP 4387553 A1 EP4387553 A1 EP 4387553A1 EP 22764811 A EP22764811 A EP 22764811A EP 4387553 A1 EP4387553 A1 EP 4387553A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
robot arm
robot
input
detection means
control unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP22764811.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Beyl
Shu Chuan Yao
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.)
B Braun New Ventures GmbH
Original Assignee
B Braun New Ventures 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 B Braun New Ventures GmbH filed Critical B Braun New Ventures GmbH
Publication of EP4387553A1 publication Critical patent/EP4387553A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/32—Surgical robots operating autonomously
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J13/081—Touching devices, e.g. pressure-sensitive
    • B25J13/084—Tactile sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/086—Proximity sensors
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    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension
    • A61B2090/065—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension for measuring contact or contact pressure

Definitions

  • the present disclosure relates to a medical collaborative robot (cobot) for actuating a medical end effector/manipulator in the field of medical technology, in particular during a surgical intervention on a patient.
  • the collaborative robot has a robot base as the local connection point of the robot, as well as a movable and thus adjustable robot arm connected to the robot base, which in particular has more degrees of freedom in the axis space than degrees of freedom to be manipulated.
  • An end effector can be attached/coupled to the robot arm, in particular to a terminal side/to a free end of the robot arm, in particular articulated or mounted by means of a joint.
  • a camera system in particular an optical camera, which creates a recording, can also serve as an end effector.
  • the robot has a control unit which is adapted to control at least the robot arm and to actuate it accordingly and to move it accordingly within geometric framework conditions.
  • the present disclosure relates to a control method and a computer-readable storage medium according to the preambles of the independent claims.
  • Robots are increasingly being used during surgical interventions, which support precise, minimally invasive interventions, for example.
  • the robot is not only intended as a stand-alone robot that only performs the operation, but the robot becomes more and more powerful as a collaborative robot (cobot), i.e. as an assisting or supporting robot, used directly in the field of intervention, which interacts with a medical specialist, in particular the surgeon.
  • the collaborative robot can perform interventional operations in sections and, if necessary, hands over another interventional operation to a surgeon.
  • a robotic arm with an end effector is located in the field of the intervention, but a surgeon must also act in this field, the robotic arm inevitably results in geometrically-related disabilities.
  • the robotic arm may be in a field of view or within reach of the surgeon.
  • a more recent prior art approach consists in installing a torque sensor in each joint of a robot, which makes it possible to measure a torque per joint and drive.
  • a control mode is provided in which the surgeon or user can manually apply a force to a limb/segment of the robot arm, the resulting torque being measured in the joints.
  • the torque is then analyzed using a control algorithm and converted into a resulting movement of the robot arm.
  • the interaction force on the robot joints can be calculated in most scenarios.
  • a basic idea is therefore, in the case of a (collaborative) robot with an articulated robot arm and end effector, to provide an operating element (an input and/or detection means or operating and/or recognition means) at a point on the robot arm that can be moved easily
  • the kinematics of the robot arm are controlled by the control unit in such a way that the end effector does not change its position, and in particular its position (i.e. its position and orientation/orientation) in absolute space.
  • the robot arm itself can be moved in a particularly simple and reliable manner using the input and/or detection means controlled and its position in space changed in order to ensure good access to the surgical field, in particular for the surgeon.
  • at least one input and/or detection means (operating and/or recognition means) is attached to the robot arm, in particular at least one suitable and specific position/point or area, preferably at a joint and/or bearing of the robot arm as a connection.
  • control unit is specially adapted to control and move the robot arm via the control unit in the event of an (operating) input by the input means or a detection of an object by the detection means such that when the robot arm moves, the End effector maintains its position, especially location.
  • a prerequisite for a system or robot with an arm/robot arm is that this robot or robot arm has more degrees of freedom in the axial space than degrees of freedom to be manipulated, in particular is overdetermined.
  • the position of the robot arm is therefore not determined unambiguously by the position or location (ie position and orientation) of the effector.
  • This remaining degree of freedom is used in the present case and in particular special points are defined on the robot arm at which the robot arm can be moved without the effector changing its position in the process.
  • the segmented robot arm with a large number of robot arm segments can be moved by means of input and/or detection means attached directly to the segments of the robot arm in such a way that the working area or intervention area remains free for the user, but the end effector retains its position, in particular location , maintains.
  • the present disclosure also describes in particular a targeted arrangement/placement of interaction units (input and/or detection means), in particular haptic interaction units, on the robot arm of the robot, i.e. the structure of the robot, in order to be able to interact particularly advantageously with the collaborative robot.
  • interaction units input and/or detection means
  • haptic interaction units on the robot arm of the robot, i.e. the structure of the robot, in order to be able to interact particularly advantageously with the collaborative robot.
  • a robot, a control unit (with correspondingly stored control algorithms) and at least one input and/or detection means, in particular a pair, are provided, with the at least an input and/or detection means is attached, in particular integrated, to one or more limbs of the robot arm.
  • the robot or robot arm has more degrees of freedom than the task space in which it operates (for example a robot with seven degrees of freedom (7 DoF) that operates in six degrees of freedom (6DoF)).
  • the solution of an inverse kinematic problem usually includes more than one solution, mostly an infinite number of solutions.
  • one of the solutions is selected based on one or more criteria (specifically, greatest distance to joint boundaries and/or least movement of one or more joints).
  • the input and/or detection means is used as an interaction means for the user to optimize the kinematic solution based on the user's current needs.
  • the input and/or detection means are used to move the robotic arm to another position without changing the position of the effector.
  • the user input via the input and/or detection means is used in the controller so that the kinematic solution is optimized in real time and the robot follows the direction that the user puts on the input and/or detection means.
  • the input and/or detection means is in particular attached to a part of the robot arm that would probably move in the case of a different solution from the set of inverse kinematics solutions. In the present case, therefore, an adjustable upper arm with an end effector is provided, which ensures particularly good interaction.
  • the robot arm can have at least two robot arm segments/robot arm links and the input and/or detection means can be located at a connection or connection point, in particular at a joint and/or bearing (as a connection) between the at least two robot arms - Be provided segments.
  • the input and/or detection means can be attached to a joint and/or bearing of the robot arm Segment (of the robot arm) to be arranged to end effector.
  • the input and/or detection means can be connected to a connection or
  • Connection point in particular at a joint and / or bearing, which connects the robot base to the robot arm, be provided.
  • the input and/or detection means can be arranged at a connection between these robot arm segments, which do not form the joint or bearing to the robot base and do not form the joint or bearing to the end effector, alternatively or an additional input and/or detection means can also be provided on the first connection between the robot base and the robot arm segment or on the “last” connection between the robot arm and the end effector.
  • the interaction unit or the input and/or detection means Due to the special arrangement of the interaction unit or the input and/or detection means on (a) connections or joints or bearings of individual limbs of the robot arm, an interaction possibility can be provided at precisely those points that are very likely to move as a kinematic solution of the robot arm would. These positions or points are therefore in particular the joints of the (robot) arm, very preferably at a joint between two robot arm segments. If, for example, the input and/or detection means is arranged on a joint between two robot arm segments, it moves with a movement of the robot arm in the area of the connection, while the end effector maintains its position, in particular its position and orientation (location). . In particular, there is an interaction unit/operating means in the form of the input and/or detection means for each point or joint.
  • two input and/or detection means in particular facing away from each other, can be provided on the robot arm at at least one connection or connection point, whereby these control a movement of the robot arm in opposite directions or control kinematics running back and forth.
  • the opposite control can be, for example: "Robot arm in the point (of the assigned input and/or detection means) left / Move right", “Turn left / right at the point (of the assigned input and/or detection means)".
  • the input and/or detection means can therefore be provided or attached specifically to the opposite sides of a robot arm, in particular an elbow of a 7DoF robot (robot with seven degrees of freedom), and an input or detection of an object by one of the means causes a Proper motion in one direction, while input or detection of an object of the other means causes proper motion in the other, opposite direction.
  • a robot arm in particular an elbow of a 7DoF robot (robot with seven degrees of freedom)
  • an input or detection of an object by one of the means causes a Proper motion in one direction
  • input or detection of an object of the other means causes proper motion in the other, opposite direction.
  • a digital button/digital button can be used or inserted as an input element.
  • a sterile barrier can be easily integrated at this point by means of a digital button.
  • the digital key is a key that captures a binary input signal (on and off) and forwards it to the control unit.
  • a particularly pressure-sensitive button/pushbutton with an actuation direction and/or a pressure-sensitive control panel can be used/provided as the input means.
  • input means can therefore be used which generate analog input signals, such as a pressure-sensitive surface, and which, in addition to an input per se (on and off), can also record an amount of an input.
  • the information on a strength for further processing can be acquired from an input signal.
  • a linear relationship between the input pressure and the strength of the input signal (up to a limit value) can be provided.
  • the control unit can also be adapted to process the input signal and, based on this, to interpose a stored reference curve in order to ensure an adapted actuation.
  • a course of an input signal can also be processed by the control unit evaluated and a control adapted based on the course of the input signal.
  • control unit can be adapted to execute a, in particular non-linear, movement of the robot arm perpendicular to the direction of actuation at the location of the input and/or detection means when the button is actuated in the direction of actuation.
  • the force exerted by the user on the button then does not result in movement of the robot along the direction of the force but in a different direction, including non-linear movements of the robot arm.
  • the user can be provided with improved interaction. If, for example, a user leans forward and presses on an input device, the robot arm with the input device does not move further away from the user, which would make input more difficult, but rather moves sideways or downwards. In this way, the input means remains in the area where the user can access it.
  • the button which is pressure-sensitive, and/or the pressure-sensitive panel can detect an amount of input pressure and the control unit can modulate a speed and/or a distance of movement of joints of the robotic arm based on the detected pressure.
  • an analog input signal can thus be used to modulate the speed of movement of the joints.
  • the analog input signal can also be used to modulate a distance of movement of the joints. This means that the higher the pressure, the higher the speed or distance of movement of the joints. In particular, there is a proportional relationship. With only light pressure, a movement of the robot arm can be controlled particularly precisely, while for rough alignments the robot arm can be moved quickly with high pressure.
  • a distance sensor in particular an ultrasonic sensor or a capacitive sensor
  • the control unit can be adapted for this when an object is detected by the distance sensor, in particular when the distance is less than one predetermined limit value/threshold to move the robot arm, in particular to move away from the object.
  • a capacitive sensor detects a change in electrical capacity (such as in a touch display) and can thus (also without contact) detect an interaction. The limit value ensures that the robot arm does not inadvertently move, even though an object was unintentionally close to the distance sensor.
  • one or more distance sensors such as an ultrasonic sensor or a capacitive sensor, can be used in addition to or instead of input means, for example a pair of keys.
  • the distance sensor is used to make room for objects that come close to the distance sensor.
  • the distance sensor is used with a threshold so that the robot kinematics are optimized only when an object is below a certain distance.
  • the control unit can preferably modulate a speed and/or a distance of a movement of connection points of the robot arm on the basis of the detected distance.
  • the detected distance between the sensor and the object is thus used to modulate the speed of a movement of the joints or to modulate a distance between the robot joints.
  • the modulation behaves anti-proportionally: the closer the object comes to the distance sensor and the smaller the detected distance, the faster the movement speed of the robot arm is set by the control unit.
  • the at least one input and/or detection means in particular a button, can be arranged coaxially to a joint axis, in particular an axis of rotation, of the robot arm.
  • the input and/or detection means is arranged precisely at the joint and can control a movement at this point.
  • input and/or detection means preferably buttons
  • buttons can be specially attached to or on a linear axis or on the robot base of the robot if a linear axis is used to move the robot base becomes.
  • a pair of input and/or detection means can be used to move the robot base along the linear axis while maintaining the position, in particular attitude, of the end effector.
  • the input and/or detection means is an integral part of the robot arm and is firmly connected to it. If the input and/or detection means is installed directly in the robot arm, then the installation space can be further optimized and intuitive operation can be facilitated.
  • the object of the present disclosure is achieved by the steps: detecting an input or detecting a object by means of at least one input and/or detection means, in particular by means of a button and/or a distance sensor; and controlling and moving the robotic arm in such a way that the end effector maintains its position, in particular location, in space.
  • the robot arm is thus controlled in such a way that it moves out of an area to be kept clear on the basis of a stored kinematic algorithm, while the end effector, however, maintains its position, in particular its location.
  • the control method can preferably have the step: detecting an operating pressure by means of a pressure-sensitive button and/or a pressure-sensitive control panel; and modulating a speed based on the sensed input pressure/operating pressure.
  • the speed of a movement of the robot arm can be adjusted by the input pressure. The higher the pressure, the faster the moving speed can be.
  • control method can have the step of: detecting an input pressure by means of a pressure-sensitive button and/or a pressure-sensitive control panel; and modulating a distance between two points of the robotic arm, in particular between two joints and/or bearings of the robot arm, based on the input pressure.
  • control method can have the step: detecting a distance by means of a distance sensor; Modulating a speed based on the sensed distance.
  • a distance sensor e.g., a distance sensor
  • Modulating a speed based on the sensed distance e.g., the relationship is used that the smaller the distance, the higher the speed.
  • the object is thus achieved in that it comprises instructions which, when executed by a computer, cause it to carry out the method steps of the control method according to the present disclosure.
  • the object is achieved in that it comprises instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the method steps of the control method according to the present disclosure.
  • FIG. 1 is a perspective view of a medical collaborative robot according to a preferred embodiment
  • FIG. 2 shows a detailed partial perspective view of a rotary joint of the collaborative robot from FIG. 1 ; 3 shows a flow chart of a control method according to a preferred one
  • Embodiment in a robot with an input means Embodiment in a robot with an input means
  • FIG. 4 shows a flow chart of a control method according to a further preferred embodiment for a robot with a detection means.
  • Figs. 1 and 2 show a perspective view and a detailed perspective partial view, respectively, of a medical collaborative robot 1 (hereinafter simply referred to as a cobot) according to a preferred embodiment for actuating a medical end effector 2 that guides a surgical instrument 4.
  • a medical collaborative robot 1 hereinafter simply referred to as a cobot
  • the cobot 1 has a robot base 6 in the form of a spatially fixed base as the local connection point of the cobot 1 .
  • a multi-articulated/multi-jointed/multi-segmented robot arm 8 is articulated on this robot base 6, at the terminal area of which the end effector 2 with the instrument 4 is articulated so that it can be guided.
  • the robot arm 8 with its robot arm segments or robot arm links 10 has more degrees of freedom in the axial space (DoF) than degrees of freedom to be manipulated, so that starting from one position of the end effector 2 different positions of the robot arm 8 are possible and adjustable.
  • DoF axial space
  • the position of the end effector 2 does not unequivocally determine the position of the robot arm 8, but there is a solution space with a large number of different positions of the individual robot arm segments 10 to one another and thus of the robot arm 8. While the position of the end effector 2 remains the same , the robot arm 8 can be moved according to a geometrically possible kinematics in the solution space.
  • the cobot 1 To control the cobot 1 , it has a control unit 12 which can control the robot arm segments 10 of the robot arm in order to move the robot arm 8 .
  • the robot arm 8 has a first robot arm segment 10.1, which is articulated to the robot base 6.
  • a second robot arm segment 10.2 is linked to the first robot arm segment 10.1 via a first rotary joint 14 with a first axis of rotation/joint axis 16 .
  • an input means in the form of a pressure-sensitive (digital) button 18 (only one button 18 is shown, the other button is on the opposite side of the first pivot joint 14) is provided on both sides directly in the first pivot joint 14 coaxially with the axis of rotation 16 aligned and installed facing away from each other.
  • two input centers/operating elements in the form of two remote buttons 18 are provided on or in the joint 14 itself on two different sides, which enable the surgeon to make a manual haptic input.
  • the robot arm segments 10 of the robot arm 8 are then controlled via the control unit 12 in such a way that, despite the movement of the robot arm 8, the position, in particular location, of the end effector 2 remains unchanged.
  • a manual press on the button 18 on the swivel joint 14 would rotate the first and second swivel joint segments 10.1 and 10.2 and thus the robot arm 8 about its axis 16 (see arrow for direction of rotation), while maintaining the position of the end effector 2 becomes.
  • the second button 18 on the other side of the robot 1 can be used.
  • the present concept therefore provides that a special mounting position of a pair of buttons 18 is provided on the first pivot joint 14 .
  • Pressing one button 18 causes the robot arm 8 to rotate about its first axis of rotation 16, but in such a way that a position, in this case even the position (ie position and orientation) of the end effector 2 with the instrument 4 is maintained.
  • Pressing the second button 18 lying opposite the first axis of rotation 16 causes a movement opposite to the first button 18.
  • the surgeon is thus standing a simple, safe and intuitive way of operating the robotic arm 8 is available in order to move the robotic arm 8 away and improve accessibility to an intervention area.
  • the pressure-sensitive buttons 18 not only measure an operator input in binary form (input, no input) but also detect any pressure applied to the buttons 18.
  • the amount of manual pressure applied is further processed by the control unit 12 to the effect that this determines a speed of the movement of the robot arm 8 is modulated with the pressure, correlated here.
  • the control unit 12 determines a speed of the movement of the robot arm 8 is modulated with the pressure, correlated here.
  • the button 18 is pressed only lightly, a slow movement of the robot arm 8 will be carried out, while if the button 18 is pressed hard/firmly, the movement speed will be set high (up to a maximum speed factor) by the control unit 12. In this way, the Cobot 1 can be controlled even more precisely if required, but it can also be controlled more quickly as required.
  • a third robot arm segment 10.3 is articulated on the second robot arm segment 10.2 via a further, second rotary joint 20 with a second axis of rotation 22.
  • Two distance sensors 24 facing away from each other are also provided as detection means on this second rotary joint 20 on both sides.
  • buttons such as those on the first joint 14 can also be used.
  • the distance sensors 24 are again arranged coaxially to the second axis of rotation 22 on both sides and are designed in the form of ultrasonic sensors. They are intended and adapted to detect a distance to an object, such as a hand, in the area of the hand and make it available to the control unit 12 in a computer-readable manner.
  • the cobot 1 is adapted by means of the control unit 12 to move the robot arm 8 away from the object, in particular the hand, at the location of the second joint 20 or to carry out an evasive movement when a distance of less than 5 cm is detected, but while the position, in particular the position of the end effector 2 is not changed.
  • a hand of the user can thus be brought closer to the first distance sensor 24 on one side of the joint 20 and the second and third robot arm segments 10.2 and 10.3 move away from the hand.
  • Different movement patterns or directions can also be set.
  • a rotation about the axis of rotation 22 itself can also be controlled by the control unit 12 , so that only a movement perpendicular to the axis of rotation 22 takes place.
  • control unit 12 is adapted to modulate a speed of movement of the robot arm segments relative to one another based on the detected distance.
  • Distance is inversely correlated to speed. If a movement is initiated by moving the hand towards the second rotary joint 20 with the distance sensor 24 at a distance of less than 5 cm, the movement speed of the robot arm 8 can be adjusted according to the distance. The closer the hand is to the distance sensor 24, the faster the robot arm 8 moves at the location of the second pivot 20.
  • the straight arrow in Fig. 1 shows self-motion with the distance sensor at the elbow of the robot arm 8.
  • the opposite, second distance sensor 24 (not shown here, but indicated by the reference numeral 24) is used on the other, remote side of the robot arm 8 again.
  • control unit 12 can be adapted to keep a constant distance. In this way, a modulated speed is set.
  • a fourth robot arm segment 10.4 is provided on the third robot arm segment 10.3, to which the end effector 2 with the instrument 4 is articulated.
  • a button 26 is also provided at the connection between the first robot arm segment 10.1 and the robot base 6 in order to initiate a movement at this point.
  • the button 26 can also be used to perform a linear movement of the robot base 6 and thus of the robot arm 8 connected thereto.
  • the control unit 12 is adapted to control the individual robot arm segments 10 of the robot arm 8 via the control unit 12 when an object is input or detected such that when the robot arm 8 moves, the end effector 2 changes its position and in particular its position maintains.
  • all keys 18, 26 and distance sensors 24 can also be present as switchable input and detection means. More precisely, there can be a hybrid of button and distance sensor, which either allows direct manual operation using a button or, when switched by the control unit, acts as a distance sensor and allows contactless actuation. It is possible to switch back and forth between touch operation and non-touch operation as required. If the surgeon wears sterile gloves during an intervention and does not want to come into contact with the cobot 1, the contactless operation can be set using a distance sensor, and if the robot arm 8 is to be moved into the correct position initially, the touch-sensitive button can be used to get voted.
  • FIG. 3 shows a flow chart of a control method according to a first preferred embodiment, which is used in particular in the cobot 1 of FIGS. 1 and 2 can be used.
  • a control method for a key is described.
  • a first step S1 an input of a pressure-sensitive button 18 provided on a robot arm is detected.
  • a sub-step S1.1 in addition to the input itself, an input pressure/operating pressure of the button 18 is determined.
  • step S2 when an input is made via the button 18, the robot arm 8 is controlled and moved by a control unit 12 in such a way that the end effector 2 maintains its position, in particular location, in space.
  • a speed of the movement of the robot arm 8 is modulated on the basis of the detected operating pressure.
  • FIG. 4 shows a flow chart of a control method according to a further, second preferred embodiment, which is used in particular in the cobot 1 of FIGS. 1 and 2 can be used.
  • a control method for a distance sensor is described here.
  • a first step S3 an object, such as a hand or an instrument, is detected using at least one detection means in the form of a distance sensor 24, which is provided on the robot arm 8.
  • the distance to the object is also recorded using the distance sensor 24;
  • a step S4 when an object is detected, the robot arm 8 is again controlled and moved in such a way that the end effector 2 maintains its position, in particular its location, in space.
  • a speed of the movement is modulated on the basis of the detected distance. If the distance decreases, the speed is increased; if the distance increases, the speed of movement of the robot arm 8 is reduced up to the limit value of the minimum distance at which there is no longer any movement.
  • non-contact manual remote control of the robot arm 8 is possible in which the robot arm 8 is moved away from a moving direction of the hand. So a hand can go in one direction along a path to an engagement area and the path previously blocked by the robotic arm 8 is released by moving the robotic arm 8 out of the way.

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Abstract

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

Description

Medizinischer kollaborativer Roboter mit justierbarem Roboterarm und Steuerverfahren
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen medizinischen kollaborativen Roboter (Cobot) zur Aktuierung eines medizinischen Endeffektors/ Manipulators im Bereich der Medizintechnik, insbesondere bei einem chirurgischen Eingriff an einem Patienten. Der kollaborative Roboter weist dabei eine Roboterbasis als lokalen Anbindungspunkt des Roboters, sowie einen an die Roboterbasis angebundenen /verbundenen beweglichen und damit justierbaren Roboterarm auf, der insbesondere mehr Freiheitsgrade im Achsraum als zu manipulierende Freiheitsgrade hat. An dem Roboterarm, insbesondere an einer endständigen Seite/ an einem freien Ende des Roboterarms, kann ein Endeffektor angebundenen/ angekoppelt, insbesondere mittels einem Gelenk angelenkt bzw. gelagert, sein. Als Endeffektor kann auch ein Kamerasystem, insbesondere eine optische Kamera dienen, welche eine Aufnahme erstellt. Ferner weist der Roboter eine Steuereinheit auf, welche dafür angepasst ist, zumindest den Roboterarm anzusteuern und entsprechend zu aktuieren und entsprechend innerhalb geometrischer Rahmenbedingungen zu bewegen. Daneben betrifft die vorliegende Offenbarung ein Steuerverfahren sowie ein computerlesbares Speichermedium gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
Technischer Hintergrund
Im Bereich der Medizin bzw. Medizintechnik gewinnt eine Automatisierung mit einhergehender Einbindung digital steuerbarer technischer Vorrichtungen immer mehr an Bedeutung. Bei einem chirurgischen Eingriff werden vermehrt Roboter eingesetzt, welche etwa einen präzisen minimalinvasiven Eingriff unterstützen. Hierbei wird der Roboter nicht nur als alleinstehender Roboter vorgesehen, der einzig die Operation durchführt, sondern der Roboter wird immer stärker als kollaborativer Roboter (Cobot), also als assistierender bzw. unterstützender Roboter, direkt im Eingriffsfeld eingesetzt, welcher mit einem medizinischen Fachpersonal, insbesondere dem Chirurgen, interagiert. So kann der kollaborative Roboter beispielsweise abschnittsweise Eingriffsoperationen durchführen und übergibt bedarfsgerecht eine weitere Eingriffsoperation an einen Chirurgen.
Bei einer solchen Interaktion zwischen Menschen und Robotern treten allerdings Probleme auf, die es noch zu lösen gilt. Da ein Roboterarm mit Endeffektor sich im Feld des Eingriffs befindet, jedoch auch ein Chirurg in diesem Feld gleichfalls agieren muss, ergeben sich unweigerlich geometrisch bedingte Behinderungen durch den Roboterarm. Beispielsweise kann sich der Roboterarm in einem Sichtfeld oder in einem Zugriffsbereich des Chirurgen befinden.
Ein neuerer Ansatz des Standes der Technik besteht darin, jeweils einen Drehmomentsensor in Gelenke eines Roboters einzubauen, welche es ermöglichen, ein Drehmoment pro Gelenk und Antrieb zu messen. Bei solchen Robotern mit Drehmomentsensoren wird ein Steuerungsmodus bereitgestellt, bei welchem der Chirurg bzw. Nutzer manuell eine Kraft auf ein Glied/ Segment des Roboterarms ausüben kann, wobei in den Gelenken das resultierende Drehmoment gemessen wird. Das Drehmoment wird dann mit Hilfe eines Steuerungsalgorithmus analysiert und in eine resultierende Bewegung des Roboterarms umsetzt. Unter Verwendung von Informationen über eine Kinematik sowie Dynamik des Roboters als Teil eines mathematischen Modells kann in den meisten Szenarien die Interaktionskraft auf die Robotergelenke berechnet werden. Jedoch birgt dies auch den Nachteil, dass ungewollt aufgebrachte Kräfte auf ein Roboterarm-Segment entlang des gesamten Roboterarms, etwa durch ein Anrempeln, auch zu ungewollten Bewegungen des Roboters führen können, da der gesamte Roboterarm die Kräfte auf die Gelenke und damit zu den Drehmomentsensoren überträgt. Auch lässt sich eine Bewegung des Roboterarms nur ungenügend steuern. Darüber hinaus kann die aufgebrachte Kraft ihrerseits bereits eine Veränderung der Endeffektorpose (z.B. durch Verformung der Struktur des Roboters) verursachen. Zusammenfassung der vorliegenden Offenbarung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder zumindest zu mindern und insbesondere einen medizinischen kollaborativen Roboter (collaborative robot/ Cobot), ein Steuerverfahren sowie computerlesbares Speichermedium zur Verfügung stellen, der/das in besonders einfacher intuitiver, aber auch sicherer Weise eine Interaktion mit einem Nutzer erlaubt. Eine Teilaufgabe kann darin gesehen werden, einen Arbeitsbereich durch den kollaborativen Roboter bei Bedarf einfach sicher und schnell freizugeben, um eine Interaktion zwischen Nutzer und kollaborativen Roboter zu verbessern, oder den Zugang zum Operationsfeld besser zugänglich zu machen.
Die Aufgaben werden hinsichtlich eines medizinischen kollaborativen Roboters erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich eines gattungsgemäßen Steuerverfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst und hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermediums durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst.
Ein Grundgedanke besteht also darin, bei einem (kollaborativen) Roboter mit gelenkigem Roboterarm und Endeffektor, ein Bedienelement (ein Eingabe- und/oder Detektionsmittel bzw. Bedien- und/oder Erkennungsmittel) an einer solchen Stelle des Roboterarms vorzusehen, welche sich gut bewegen lässt, wobei jedoch die Kinematik des Roboterarms durch die Steuereinheit so gesteuert wird, dass der Endeffektor seine Position, und insbesondere Lage (also seine Position und Orientierung/ Ausrichtung), im absoluten Raum nicht ändert. Während also der Endeffektor in genau seiner Position bzw. Lage statisch verbleibt und etwa ein befestigtes Instrument gegenüber einem Patienten nicht bewegt wird (zumindest etwa eine Spitze nicht), kann der Roboterarm selbst in besonders einfacher und sicherer Weise mittels des Eingabe- und/oder Detektionsmittels gesteuert und seine Lage im Raum verändert werden, um insbesondere dem Chirurgen einen guten Zugang zum Operationsfeld zu gewährleisten. Mit anderen Worten wird an dem Roboterarm, an insbesondere zumindest einer geeigneten und bestimmten Position/ Stelle oder Bereich, vorzugsweise an einem Gelenk und/oder Lager des Roboterarms als Verbindung, zumindest ein Eingabe- und/oder Detektionsmittel (Bedien- und/oder Erkennungsmittel) angeordnet /vorgesehen, und die Steuereinheit speziell dafür angepasst, bei einer (Bedien-) Eingabe durch das Eingabemittel bzw. einer Detektion eines Objekts durch des Detektionsmittel, den Roboterarm über die Steuereinheit derart zu steuern und zu bewegen, dass bei einer Bewegung des Roboterarms der Endeffektor seine Position, insbesondere Lage, beibehält.
Mit noch anderen Worten ist insbesondere eine Voraussetzung eines Systems bzw. Roboters mit einem Arm/ Roboterarm, dass dieser Roboter bzw. Roboterarm mehr Freiheitsgrade im Achsraum als zu manipulierende Freiheitsgrade hat, insbesondere überbestimmt ist. Die Lage des Roboterarms ist somit nicht eineindeutig durch die Position oder Lage (also Position und Orientierung) des Effektors bestimmt. Dieser verbleibende Freiheitsgrad wird vorliegend zunutze gemacht und es werden am Roboterarm insbesondere spezielle Punkte festgelegt, an denen der Roboterarm bewegt werden kann, ohne dass dabei der Effektor seine Position verändert. Der segmentierte Roboterarm mit einer Vielzahl an Roboterarm-Segmenten kann durch direkt an den Segmenten des Roboterarms angebrachte Eingabe- und/oder Detektionsmittel also so bewegt werden, dass der Arbeitsbereich bzw. Eingriffsbereich für den Nutzer frei bleibt, jedoch der Endeffektor seine Position, insbesondere Lage, beibehält.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt dabei auch insbesondere eine gezielte Anordnung/ Platzierung von Interaktionseinheiten (Eingabe- und/oder Detektionsmittel), insbesondere haptischen Interaktionseinheiten, an dem Roboterarm des Roboters, also der Struktur des Roboters, um besonders vorteilhaft mit dem kollaborativen Roboter interagieren zu können.
Mit noch ganz anderen Worten wird ein Roboter, eine Steuereinheit (mit entsprechend hinterlegten Steuerungsalgorithmen) und mindestens ein Eingabe- und/oder Detektionsmittel, insbesondere ein Paar, bereitgestellt, wobei das zumindest eine Eingabe- und/oder Detektionsmittel an einem oder mehreren Gliedern des Roboterarms angebracht, insbesondere integriert, ist. Der Roboter bzw. Roboterarm hat dabei insbesondere mehr Freiheitsgrade als der Aufgabenraum, in dem er operiert (beispielsweise ein Roboter mit sieben Freiheitsgraden (7 DoF), der in sechs Freiheitsgraden (6DoF) operiert). Hierbei umfasst die Lösung eines inversen kinematischen Problems in der Regel mehr als eine Lösung, meistens eine unendliche Anzahl von Lösungen. Typischerweise wird eine der Lösungen auf der Grundlage eines Kriteriums oder mehrerer Kriterien ausgewählt (insbesondere größter Abstand zu Gelenkgrenzen und/oder geringste Bewegung eines oder mehrerer Gelenke). Das Eingabe- und/oder Detektionsmittel wird als Interaktionsmittel für den Benutzer verwendet, um die Kinematiklösung auf der Grundlage der aktuellen Bedürfnisse des Benutzers zu optimieren. Insbesondere, wenn Teile der Roboterarme den Arbeitsbereich des Benutzers einschränken, werden die Eingabe- und/oder Detektionsmittel verwendet, um den Roboterarm in eine andere Position zu bewegen, ohne die Position des Effektors zu verändern. Die Benutzereingabe über das Eingabe- und/oder Detektionsmittel wird in der Steuerung verwendet, so dass die Kinematiklösung in Echtzeit optimiert wird und der Roboter der Richtung folgt, die der Benutzer auf das Eingabe- und/oder Detektionsmittel legt. Das Eingabe- und/oder Detektionsmittel wird dabei insbesondere an einem Teil des Roboterarms angebracht, der sich wahrscheinlich, im Falle einer anderen Lösung aus der Menge der Lösungen der inversen Kinematik, bewegen würde. Es wird vorliegend also ein justierbarer Rotoberarm mit Endeffektor bereitgestellt, der eine besonders gute Interaktion gewährleistet.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden insbesondere nachfolgend erläutert.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Roboterarm zumindest zwei Roboterarm- Segmente/ Roboterarm-Glieder aufweisen und das Eingabe- und/oder Detektionsmittel kann an einer Verbindung bzw. Verbindungsstelle, insbesondere an einem Gelenk und/oder Lager (als Verbindung), zwischen den zumindest zwei Roboterarm- Segmenten vorgesehen sein. Insbesondere kann alternativ oder zusätzlich das Eingabe- und/oder Detektionsmittel an einem Gelenk und/oder Lager von Roboterarm- Segment (des Roboterarms) zu Endeffektor angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Eingabe- und/oder Detektionsmittel an einer Verbindung bzw.
Verbindungsstelle, insbesondere an einem Gelenk und/oder Lager, welches die Roboterbasis mit dem Roboterarm verbindet, vorgesehen sein. Während also bei zumindest zwei Roboterarm-Segmenten das Eingabe- und/oder Detektionsmittel an einer Verbindung zwischen diesen Roboterarm-Segmenten angeordnet sein kann, welche nicht das Gelenk bzw. Lager zur Roboterbasis bilden und nicht das Gelenk bzw. Lager zum Endeffektor bilden, kann alternativ oder zusätzlich ein Eingabe- und/oder Detektionsmittel auch an der ersten Verbindung zwischen Roboterbasis und Roboterarm-Segment bzw. an der „letzten“ Verbindung zwischen Roboterarm und Endeffektor vorgesehen werden. Durch die spezielle Anordnung der Interaktionseinheit bzw. des Eingabe- und/oder Detektionsmittels an (einer) Verbindungen bzw. Gelenken bzw. Lagern einzelner Glieder des Roboterarms, kann an genau den Stellen eine Interaktionsmöglichkeit vorgesehen werden, die sich als Kinematiklösung des Roboterarms sehr wahrscheinlich bewegen würde. Diese Positionen bzw. Punkte sind also insbesondere die Gelenke des (Roboter-)Arms, ganz bevorzugt an einem Gelenk zwischen zwei Roboterarm-Segmenten. Wenn beispielsweise das Eingabe- und/oder Detektionsmittel an einem Gelenk zwischen zwei Roboterarm-Segmenten angeordnet ist, so bewegt sich dieses bei einer Bewegung des Roboterarms im Bereich der Verbindung mit, während der Endeffektor seine Position, insbesondere seine Position und Orientierung (Lage) beibehält. Insbesondere gibt es zu jedem Punkt oder Gelenk eine Interaktionseinheit/ ein Bedienmittel in Form des Eingabe- und/oder Detektionsmittels.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können an dem Roboterarm an zumindest einer Verbindung bzw. Verbindungsstelle zwei, insbesondere einander abgewandte, Eingabe- und/oder Detektionsmittel vorgesehen sein, wobei diese eine Bewegung des Roboterarms in entgegengesetzte Richtungen steuern oder eine Kinematik vor- und zurücklaufend steuern. Vorzugsweise gibt es sogar an jedem Punkt oder Gelenk des Roboterarms zwei Eingabe- und/oder Detektionsmittel, die entgegengesetzt wirken bzw. eine entgegengesetzte Steuerung des Roboterarms durch die Steuereinheit ausführen. Entgegengesetze Steuerung kann beispielsweise sein: „Roboterarm im Punkt (des zugeordneten Eingabe- und/oder Detektionsmittels) links / rechts verfahren“, „Gelenk am Punkt (des zugeordneten Eingabe- und/oder Detektionsmittels) links / rechts drehen“. Durch das Vorsehen von zwei Eingabe- und/oder Detektionsmitteln kann also ähnlich einer Fernbedienung mit Wahltasten oben und unten eine intuitive und sichere Steuerung bereitgestellt werden. Im Falle von gegenüberliegende Eingabe- und/oder Detektionsmitteln kann eine versehentliche falsche Steuerung in einer Steuer-Richtung ausgeschlossen werden. Insbesondere können also die Eingabe- und/oder Detektionsmittel speziell an den gegenüberliegenden Seiten eines Roboterarms, insbesondere eines Ellbogens eines 7DoF-Roboters (Roboter mit sieben Freiheitsgraden), vorgesehen oder angebracht sein, und eine Eingabe bzw. Detektion eines Objekts eines der Mittel bewirkt eine Eigenbewegung in eine Richtung, während die Eingabe bzw. Detektion eines Objekts des anderen Mittels eine Eigenbewegung in die andere, entgegengesetzte Richtung bewirkt.
Insbesondere kann als Eingabeelement ein digitaler Taster/ ein Digitalknopf verwendet bzw. eingesetzt werden. Mittels einer digitalen Taste kann unter anderem eine Sterilbarriere an dieser Stelle gut integriert werden. Insbesondere ist die digitale Taste eine Taste, welche ein binäres Eingabesignal erfasst (ein und aus) und an die Steuereinheit weiterleitet.
Vorzugsweise kann als Eingabemittel eine insbesondere drucksensitive, Taste /Drucktaster mit einer Betätigungsrichtung und/oder ein drucksensitives Bedienfeld eingesetzt /vorgesehen sein. Es können also insbesondere Eingabemittel verwendet werden, die analoge Eingangssignale erzeugen, wie beispielsweise eine druckempfindliche Fläche, und welche neben einer Eingabe an sich (ein und aus) auch noch einen Betrag einer Eingabe erfassen können. Auf diese Weise kann aus einem Eingabesignal die Information einer Stärke für die Weiterverarbeitung erfasst werden. Insbesondere kann ein linearer Zusammenhang zwischen Eingabedruck und Stärke Eingabesignal (bis zu einem Grenzwert) vorgesehen sein. Die Steuereinheit kann aber auch dafür angepasst sein, das Eingabesignal zu verarbeiten und auf diesem basierend eine hinterlegte Referenzkurve zwischenzuschalten, um eine angepasste Aktuierung zu gewährleisten. Auch kann ein Verlauf eines Eingabesignals durch die Steuereinheit ausgewertet und eine Steuerung auf Basis des Verlaufs des Eingabesignals angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, bei einer Betätigung der Taste in Betätigungsrichtung an der Stelle des Eingabe- und/oder Detektionsmittels eine, insbesondere nichtlineare, Bewegung des Roboterarms senkrecht zu der Betätigungsrichtung auszuführen. Die vom Benutzer auf die Taste ausgeübte Kraft führt dann nicht zu einer Bewegung des Roboters entlang der Richtung der Kraft, sondern in eine andere Richtung, einschließlich nicht linearer Bewegungen des Roboterarms. So kann dem Nutzer eine verbesserte Interaktion bereitgestellt werden. Wenn beispielsweise ein Nutzer sich vorbeugt und auf ein Eingabemittel drückt, so fährt der Roboterarm mit dem Eingabemittel nicht noch weiter von dem Nutzer weg, was eine Eingabe erschweren würde, sondern bewegt sich etwa seitwärts oder nach unten. Auf diese Weise bleibt das Eingabemittel im Bereich einer Zugriffsmöglichkeit des Nutzers.
Insbesondere kann die Taste, welche drucksensitiv ist, und/oder das drucksensitive Bedienfeld einen Betrag eines Eingabedrucks erfassen und die Steuereinheit auf Basis des erfassten Drucks eine Geschwindigkeit und und/oder eine Distanz einer Bewegung von Verbindungsstellen des Roboterarms modulieren. Insbesondere kann also ein analoges Eingangssignal verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Bewegung der Gelenke zu modulieren. Das analoge Eingangssignal kann auch verwendet werden, um einen Abstand der Bewegung der Gelenke zu modulieren. Dies bedeutet, dass je höher der Druck ist, desto höher ist die Geschwindigkeit bzw. der Abstand der Bewegung der Gelenke. Es liegt also insbesondere ein proportionaler Zusammenhang vor. Bei nur leichtem Druck lässt sich besonders präzise eine Bewegung des Roboterarms steuern, während für grobe Ausrichtungen mit einem hohen Druck der Roboterarm schnell bewegt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann als Erkennungsmittel ein Distanzsensor, insbesondere ein Ultraschallsensor oder ein kapazitiver Sensor, eingesetzt, und die Steuereinheit dafür angepasst sein, bei einer Detektion eines Objekts durch den Distanzsensor, insbesondere bei einer Distanz kleiner eines vorbestimmten Grenzwerts/ Schwellenwert, den Roboterarm zu bewegen, insbesondere von dem Objekt wegzubewegen. Ein kapazitiver Sensor erfasst eine Änderung einer elektrischen Kapazität (wie etwa bei einem Touchdisplay) und kann so (auch berührungslos) eine Interaktion erfassen. Durch den Grenzwert wird sichergestellt, dass nicht versehentlich eine Bewegung des Roboterarms durchgeführt wird, obwohl nur ungewollt ein Objekt in der Nähe des Distanzsensors gelangt ist. Mit anderen Worten kann also zusätzlich oder anstelle von Eingabemitteln, etwa eines Tastenpaares, also insbesondere ein oder mehrere Distanzsensoren/ Abstandssensoren, wie etwa ein Ultraschallsensor oder ein kapazitiver Sensor, verwendet werden. Der Distanzsensor wird dafür verwendet, um Platz für Objekte zu schaffen, die in die Nähe des Distanzsensors gelangen. Der Distanzsensor wird insbesondere mit einem Schwellenwert verwendet, so dass die Roboterkinematik nur dann optimiert wird, wenn sich ein Objekt unterhalb einer bestimmten Distanz befindet.
Vorzugsweise kann die Steuereinheit auf Basis der erfassten Distanz eine Geschwindigkeit und und/oder eine Distanz einer Bewegung von Verbindungsstellen des Roboterarms modulieren. Der erfasste Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt wird also dazu verwendet, die Geschwindigkeit einer Bewegung der Gelenke zu modulieren oder einen Abstand zwischen den Robotergelenken zu modulieren. In diesem Fall verhält sich die Modulation insbesondere antiproportional: Je näher das Objekt an den Distanzsensor herankommt und je kleiner die erfasste Distanz ist, desto schneller wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms durch die Steuereinheit eingestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das zumindest eine Eingabe- und/oder Detektionsmittel, insbesondere eine Taste, koaxial zu einer Gelenkachse, insbesondere Drehachse, des Roboterarms angeordnet sein. Auf diese Weise ist das Eingabe- und/oder Detektionsmittel genau an dem Gelenk angeordnet und kann eine Bewegung an dieser Stelle steuern.
Insbesondere können Eingabe- und/oder Detektionsmittel, vorzugsweise Tasten, speziell an oder auf einer linearen Achse oder an der Roboterbasis des Roboters angebracht sein, falls eine lineare Achse zur Bewegung der Roboterbasis verwendet wird. In diesem Fall kann insbesondere ein Paar von Eingabe- und/oder Detektionsmitteln verwendet werden, um die Roboterbasis entlang der linearen Achse zu bewegen, während die Position, insbesondere die Lage, des Endeffektors beibehalten wird.
Insbesondere ist das Eingabe- und/oder Detektionsmittel integraler Bestandteil des Roboterarms und fest mit diesem verbunden. Wenn das Eingabe- und/oder Detektionsmittel also direkt in dem Roboterarm eingebaut ist, so lässt sich ein Bauraum weiter optimieren und eine intuitive Bedienung erleichtern.
Hinsichtlich eines (computerimplementierten) Steuerverfahren zur Steuerung eines medizinischen kollaborativen Roboters mit einem an einer Basis angebundenen Roboterarm und einem an den Roboterarm angebundenen Endeffektor, insbesondere gemäß der vorliegenden Offenbarung, wird die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung gelöst durch die Schritte: Erfassen einer Eingabe oder Detektion eines Objekts mittels zumindest einem Eingabe- und/oder Detektionsmittel, insbesondere mittels einer Taste und/oder einem Distanzsensor; und Steuern und Bewegen des Roboterarms derart, dass der Endeffektor seine Position, insbesondere Lage, im Raum beibehält. Der Roboterarm wird also derart angesteuert, dass dieser auf Basis eines hinterlegten kinematischen Algorithmus sich aus einem freizuhaltenden Bereich herausbewegt, während jedoch der Endeffektor seine Position, insbesondere Lage, beibehält.
Vorzugsweise kann das Steuerverfahren den Schritt aufweisen: Erfassen eines Bediendrucks mittels einer drucksensitiven Taste und/oder eines drucksensitiven Bedienfelds; und Modulieren einer Geschwindigkeit auf Basis des erfassten Eingabedrucks/ Bediendrucks. Analog zu dem vorstehend beschriebenen kollaborativen Roboter kann die Geschwindigkeit einer Bewegung des Roboterarms durch den Eingabedruck eingestellt werden. Je höher der Druck ist, desto schneller kann die Bewegungsgeschwindigkeit sein.
Insbesondere kann das Steuerverfahren den Schritt aufweisen: Erfassen eines Eingabedrucks mittels einer drucksensitiven Taste und/oder eines drucksensitiven Bedienfelds; und Modulieren einer Distanz zwischen zwei Punkten des Roboterarms, insbesondere zwischen zwei Gelenken und/oder Lagern des Roboterarms, auf Basis des Eingabedrucks.
Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform das Steuerverfahren den Schritt aufweisen: Erfassen einer Distanz mittels eines Distanzsensors; Modulieren einer Geschwindigkeit auf Basis der erfassten Distanz. Hierbei wird insbesondere das Verhältnis verwendet, dass, je kleiner die Distanz ist, desto höher ist die Geschwindigkeit.
Hinsichtlich eines computerlesbares Speichermediums wird die Aufgabe also dadurch gelöst, dass dieses Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Verfahrensschritte des Steuerverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen. Hinsichtlich eines Computerprogramms wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass dieses Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Verfahrensschritte des Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen.
Jegliche Offenbarung im Zusammenhang mit dem kollaborativen Roboter gemäß der vorliegenden Offenbarung gilt für das Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wie auch umgekehrt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die vorliegende Offenbarung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines medizinischen kollaborativen Roboters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 eine detaillierte perspektivische Teilansicht eines Drehgelenks des kollaborativen Roboters aus Fig. 1 ; Fig. 3 ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform bei einem Roboter mit einem Eingabemittel; und
Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bei einem Roboter mit einem Detektionsmittel.
Die Figuren sind schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Erfindung dienen. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Fign. 1 und 2 zeigen in einer perspektivischen Ansicht bzw. detaillierten perspektivischen Teilansicht einen medizinischen kollaborativen Roboter 1 (nachstehend nur Cobot genannt) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Aktuierung eines medizinischen Endeffektors 2, der ein chirurgisches Instrument 4 führt.
Der Cobot 1 weist eine Roboterbasis 6 in Form eines im Raum angeordneten, ortsfesten Sockels als lokalen Anbindungspunkt des Cobots 1 auf. An dieser Roboterbasis 6 ist ein mehrgelenkiger/ mehrgliedriger/ mehrsegmentierter Roboterarm 8 angelenkt, an dessen endständigem Bereich der Endeffektor 2 mit dem Instrument 4 führbar angelenkt ist. Der Roboterarm 8 mit seinen Roboterarm-Segmenten bzw. Roboterarm-Gliedern 10 weist in dieser Ausführungsform mehr Freiheitsgrade im Achsraum (DoF) als zu manipulierende Freiheitsgrade auf, so dass ausgehend von einer Lage des Endeffektors 2 unterschiedliche Lagen des Roboterarms 8 möglich und einstellbar sind. Mit anderen Worten legt die Lage des Endeffektors 2 nicht eineindeutig die Lage des Roboterarms 8 fest, sondern es gibt einen Lösungsraum mit einer Vielzahl unterschiedlicher Lagen der einzelnen Roboterarm -Segmente 10 zueinander und damit des Roboterarms 8. Während also die Lage des Endeffektors 2 gleich bleibt, kann der Roboterarm 8 entsprechend einer geometrisch möglichen Kinematik im Lösungsraum bewegt werden. Zur Steuerung des Cobots 1 weist dieser eine Steuereinheit 12 auf, welche die Roboterarm-Segmente 10 des Roboterarms ansteuern kann, um den Roboterarm 8 zu bewegen. Konkret weist der Roboterarm 8 ein erstes Roboterarm-Segment 10.1 auf, welches an die Roboterbasis 6 angelenkt ist. Ein zweites Roboterarm-Segment 10.2 ist über ein erstes Drehgelenk 14 mit erster Drehachse/ Gelenkachse 16 an das erste Roboterarm-Segment 10.1 angelenkt.
Im Unterschied zum Stand der Technik ist beidseitig jeweils ein Eingabemittel in Form einer drucksensitiven (digitalen) Taste 18 (nur eine Taste 18 dargestellt, die andere Taste ist auf der abgewandten Seite des ersten Drehgelenks 14) direkt in dem ersten Drehgelenk 14 koaxial zu der Drehachse 16 ausgerichtet und einander abgewandt eingebaut. Dadurch sind an bzw. in dem Gelenk 14 selber an zwei unterschiedlichen Seiten zwei Eingabemitte/ Bedienelemente in Form der zwei abgewandten Taster 18 bereitgestellt, welche es dem Chirurgen ermöglichen eine manuelle haptische Eingabe vorzunehmen. Basierend auf dieser Eingabe werden dann die Roboterarm-Segmente 10 des Roboterarm 8 über die Steuereinheit 12 derart gesteuert, dass trotz der Bewegung des Roboterarms 8 die Position, insbesondere Lage, des Endeffektors 2 unverändert bleibt.
Konkret würde in dieser Ausführungsform ein manueller Druck auf die Taste 18 am Drehgelenk 14 das ersten und zweite Drehgelenk-Segment 10.1 und 10.2 und damit den Roboterarm 8 um seine Achse 16 (siehe Pfeil für Drehrichtung) drehen lassen, während die Position des Endeffektors 2 beibehalten wird. Um eine Selbstbewegung in die entgegengesetzte Richtung auszuführen, kann die zweite Taste 18 auf der anderen Seite des Roboters 1 verwendet werden.
Das vorliegende Konzept sieht also vor, dass eine spezielle Montageposition eines Paars an Tastern 18 an dem ersten Drehgelenk 14 vorgesehen ist. Ein Druck auf den einen Taster 18 lässt den Roboterarm 8 um seine erste Drehachse 16 drehen, jedoch derart, dass eine Position, vorliegend sogar die Lage (also Position und Orientierung) des Endeffektors 2 mit dem Instrument 4 beibehalten wird. Ein Druck auf die koaxial zu der ersten Drehachse 16 gegenüberliegende zweite Taste 18 bewirkt eine entgegengesetzte Bewegung zu der ersten Taste 18. Damit steht dem Chirurgen eine einfache, sichere und intuitive Möglichkeit einer Bedienung des Roboterarms 8 zur Verfügung, um den Roboterarm 8 etwa wegzubewegen und eine Zugängigkeit zu einem Eingriffsbereich zu verbessern.
Die drucksensitiven Tasten 18 messen dabei nicht nur eine Bedieneingabe in binärer Form (Eingabe, keine Eingabe) sondern erfassen auch einen aufgebrachten Druck auf die Tasten 18. Der Betrag des aufgebrachten manuellen Drucks wird durch die Steuereinheit 12 dahingehend weiterverarbeitet, dass diese eine Geschwindigkeit der Bewegung des Roboterarms 8 mit dem Druck moduliert, hier korreliert. Wird also die Taste 18 nur leicht gedrückt, so wird eine langsame Bewegung des Roboterarms 8 ausgeführt, während bei einem starken/ festen erfassten Druck des Taste 18 die Bewegungsgeschwindigkeit (bis zu einem maximalen Geschwindigkeitsfaktor) durch die Steuereinheit 12 hoch angesetzt wird. So lässt sich der Cobot 1 bei Bedarf noch präziser steuern aber auch bedarfsgerecht schneller steuern.
An dem zweiten Roboterarm-Segment 10.2 ist ein drittes Roboterarm-Segment 10.3 über ein weiteres, zweites Drehgelenk 20 mit zweiter Drehachse 22 angelenkt. Auch an diesem zweiten Drehgelenk 20 sind beidseitig einander abgewandt zwei Distanzsensoren 24 als Detektionsmittel vorgesehen. Alternativ können statt der Distanzsensoren 24 auch Tasten wie am ersten Gelenk 14 verwendet werden. Die Distanzsensoren 24 sind wieder koaxial zu der zweiten Drehachse 22 beidseitig angeordnet und in Form von Ultraschallsensoren ausgebildet. Sie sind dafür vorgesehen und angepasst eine Distanz zu einem Objekt, wie etwa einer Hand, in deren Bereich zu erfassen und der Steuereinheit 12 computerlesbar bereitzustellen.
Konkret ist der Cobot 1 mittels der Steuereinheit 12 dafür angepasst, bei einer Detektion einer Distanz von unter 5cm den Roboterarm 8 an der Stelle des zweiten Gelenks 20 von dem Objekt, insbesondere der Hand, wegzubewegen oder eine Ausweichbewegung durchzuführen, während jedoch die Position, insbesondere die Lage, des Endeffektors 2 nicht verändert wird. Damit kann eine Hand des Nutzers dem ersten Distanzsensor 24 auf einer Seite des Gelenks 20 angenähert werden und das zweite und dritte Roboterarm-Segment 10.2 und 10.3 bewegt sich von der Hand weg. Auch können unterschiedliche Bewegungsmuster bzw. Richtungen eingestellt werden. Es kann statt eine Bewegung in einer Transversalrichtung entlang der zweiten Drehachse 22 auch eine Drehung um die Drehachse 22 selbst durch die Steuereinheit 12 gesteuert werden, so dass nur eine Bewegung senkrecht zur Drehachse 22 erfolgt.
In dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit 12 dafür angepasst, auf Basis der detektierten Distanz eine Geschwindigkeit der Bewegung der Roboterarm-Segmente gegeneinander zu modulieren. Die Distanz korreliert antiproportional zu der Geschwindigkeit. Wird mittels Handbewegung auf das zweite Drehgelenk 20 mit dem Distanzsensor 24 zu bei einer Distanz von unter 5cm eine Bewegung initiiert, so kann die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms 8 entsprechend der Distanz eingestellt werden. Je näher die Hand an dem Distanzsensor 24 ist, desto schneller bewegt sich der Roboterarm 8 an der Stelle des zweiten Drehgelenks 20. Der gerade Pfeil in Fig. 1 zeigt eine Selbstbewegung mit dem Distanzsensor am Ellbogen des Roboterarms 8. Um eine Selbstbewegung in die entgegengesetzte Richtung auszuführen, wird wieder der gegenüberliegende, zweite Distanzsensor 24 (hier nicht dargestellt, jedoch mit dem Bezugszeichen 24 angedeutet) auf der anderen, abgewandten Seite des Roboterarms 8 verwendet.
Insbesondere kann die Steuereinheit 12 dafür angepasst sein, eine konstante Distanz zu halten. Auf diese Weise wird eine modulierte Geschwindigkeit eingestellt.
An dem dritten Roboterarm-Segment 10.3 ist schließlich ein viertes Roboterarm- Segment 10.4 vorgesehen, an dem der Endeffektor 2 mit dem Instrument 4 angelenkt ist.
Ebenfalls ist an der Verbindung zwischen dem ersten Roboterarm-Segment 10.1 und der Roboterbasis 6 eine Taste 26 vorgesehen, um eine Bewegung an dieser Stelle zu initiieren. In einer Ausführungsform kann die Taste 26 auch dafür verwendet werden, eine lineare Bewegung der Roboterbasis 6 und damit des angebundenen Roboterarms 8 durchzuführen.
Es sind also an dem Roboterarm 8 an jedem einzelnen Gelenk, angefangen von der Roboterbasis 6 über die einzelnen Roboterarm-Segmente 10, jeweils Eingabemittel in Form von zwei abgewandten Tasten 18, 26 für zwei entgegengesetzte Bewegungsrichtungen also auch Detektionsmittel in Form von zwei abgewandten Distanzsensoren 24 vorgesehen und direkt in bzw. an den Gelenken 14, 20, etwa koaxial zu diesen, angeordnet, so dass der Roboterarm 8 an jeder Stelle der Gelenke 14, 20 bewegt werden kann. Die Steuereinheit 12 ist dabei dafür angepasst ist, bei einer Eingabe bzw. Detektion eines Objekts die einzelnen Roboterarm -Segmente 10 des Roboterarm 8 über die Steuereinheit 12 derart zu steuern, dass bei der Bewegung des Roboterarms 8 der Endeffektor 2 seine Position und insbesondere seine Lage beibehält.
In einer Ausführungsform können alle Tasten 18, 26 und Distanzsensoren 24 auch einheitlich als umschaltbare Eingabe- und Detektionsmittel vorliegen. Genauer gesagt kann ein Hybrid aus Taste und Distanzsensor vorliegen, der entweder eine manuelle direkte Bedienung mittels Taste erlaubt ober, wenn durch die Steuereinheit umgeschaltet, als Distanzsensor fungiert und eine berührungslose Aktuierung erlaubt. So kann bedarfsgerecht zwischen einer Bedienung mittels Berührung und einer Bedienung ohne Berührung hin und her geschaltet werden. Wenn bei einem Eingriff der Chirurg sterile Handschuhe trägt und nicht mit dem Cobot 1 in Berührung kommen möchte, so kann die berührungslose Bedienung mittels Distanzsensor eingestellt werden, und wenn etwa initial der Roboterarm 8 in die richtige Position verfahren werden soll, so kann die berührungsempfindliche Taste gewählt werden.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, welches insbesondere bei dem Cobot 1 der Fign. 1 und 2 eingesetzt werden kann. Vorliegend wird ein Steuerverfahren für eine Taste beschrieben.
In einem ersten Schritt S1 wird eine Eingabe einer drucksensitiven Taste 18 detektiert, welche an einem Roboterarm vorgesehen ist.
In einem Unterschritt S1.1 wird neben der Eingabe an sich, noch ein Eingabedruck/ Bediendruck der Taste 18 ermittelt. In einem Schritt S2 wird bei einer Eingabe durch die Taste 18 der Roboterarm 8 durch eine Steuereinheit 12 derart angesteuert und bewegt, dass der Endeffektor 2 seine Position, insbesondere Lage, im Raum beibehält.
In einem Unterschritt S2.1 wird dabei auf Basis des erfassten Bediendrucks eine Geschwindigkeit der Bewegung des Roboterarms 8 moduliert.
Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer weiteren, zweiten bevorzugten Ausführungsform, welches insbesondere bei dem Cobot 1 der Fign. 1 und 2 verwendet werden kann. Vorliegend wird ein Steuerverfahren für einen Distanzsensor beschrieben.
In einem ersten Schritt S3 wird ein Objekt, wie etwa eine Hand oder ein Instrument, mittels zumindest einem Detektionsmittel in Form eines Distanzsensors 24 erfasst, welches an dem Roboterarm 8 vorgesehen ist.
In einem Unterschritt S3.1 wird dabei auch die Distanz zu dem Objekt mittels dem Distanzsensors 24 erfasst;
In einem Schritt S4 folgt bei Detektion eines Objekts wieder ein Steuern und Bewegen des Roboterarms 8 derart, dass der Endeffektor 2 seine Position, insbesondere Lage, im Raum beibehält.
In einem Unterschritt S4.1 wird eine Geschwindigkeit der Bewegung auf Basis der erfassten Distanz moduliert. Verringert sich die Distanz, so wird die Geschwindigkeit erhöht, erhöht sich die Distanz, so wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms 8 verringert bis zu dem Grenzwert des Mindestabstands, zu dem keine Bewegung mehr erfolgt.
Man kann auch sagen, dass mit dem vorstehenden Steuerverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine berührungslose, manuelle Fernsteuerung des Roboterarms 8 möglich ist, bei der der Roboterarm 8 aus einer Bewegungsrichtung der Hand wegbewegt wird. So kann eine Hand in eine Richtung entlang eines Weges zu einem Eingriffsbereich hingestreckt werden und der zuvor durch den Roboterarm 8 blockierte Weg wird durch Bewegung des Roboterarms 8 aus dem Weg heraus freigegeben.
Bezuqszeichenliste
1 Medizinischer kollaborativer Roboter / Cobot
2 Endeffektor
4 Chirurgisches Instrument
6 Roboterbasis
8 Roboterarm
10 Roboterarm-Segmente
10.1 erstes Roboterarm-Segment
10.2 Zweites Roboterarm -Segment
10.3 Drittes Roboterarm-Segment
10.4 Viertes Roboterarm-Segment
12 Steuereinheit
14 Erstes Drehgelenk
16 Erste Gelenkachse
18 Taster
20 Zweites Drehgelenk
22 Zweite Gelenkachse
24 Distanzsensor
26 Taster
51 Schritt Erfassen einer Eingabe
51 .1 Schritt Erfassen eines Bediendrucks
52 Schritt Steuern und Bewegen Roboterarm
52.1 Schritt Modulieren Bewegungsgeschwindigkeit auf Basis Bediendrucks
53 Schritt Erfassen Objekt
53.1 Schritt Erfassen Distanz zu Objekt
54 Schritt Steuern und Bewegen Roboterarm
54.1 Schritt Modulieren Bewegungsgeschwindigkeit auf Basis Distanz

Claims

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