EP4619206A1 - Roboterarm, ultraschallroboter und verfahren zur steuerung eines roboterarms - Google Patents

Roboterarm, ultraschallroboter und verfahren zur steuerung eines roboterarms

Info

Publication number
EP4619206A1
EP4619206A1 EP23809161.5A EP23809161A EP4619206A1 EP 4619206 A1 EP4619206 A1 EP 4619206A1 EP 23809161 A EP23809161 A EP 23809161A EP 4619206 A1 EP4619206 A1 EP 4619206A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
robot
robot arm
tool
sensor
end effector
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP23809161.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christopher Schlenk
Ribin BALACHANDRAN
Julian Klodmann
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.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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 Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4619206A1 publication Critical patent/EP4619206A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • B25J13/085—Force or torque sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Clinical applications
    • A61B8/0833—Clinical applications involving detecting or locating foreign bodies or organic structures
    • A61B8/0841—Clinical applications involving detecting or locating foreign bodies or organic structures for locating instruments
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/42—Details of probe positioning or probe attachment to the patient
    • A61B8/4209—Details of probe positioning or probe attachment to the patient by using holders, e.g. positioning frames
    • A61B8/4218—Details of probe positioning or probe attachment to the patient by using holders, e.g. positioning frames characterised by articulated arms
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/42—Details of probe positioning or probe attachment to the patient
    • A61B8/4272—Details of probe positioning or probe attachment to the patient involving the acoustic interface between the transducer and the tissue
    • A61B8/429—Details of probe positioning or probe attachment to the patient involving the acoustic interface between the transducer and the tissue characterised by determining or monitoring the contact between the transducer and the tissue

Definitions

  • the invention relates to a robot arm, an ultrasonic robot and a method for controlling a robot arm.
  • Robotic arms are often used in industrial applications, such as automobile manufacturing, or in medical applications, such as robot-assisted surgery.
  • the target trajectories of a lightweight robot e.g. a robot arm, can basically be generated in three ways:
  • the system independently calculates the desired trajectories and monitors compliance with them. This requires precise knowledge of the robot's environment, particularly either because it is very structured and static, or because the robot can record all relevant information using appropriate sensors. Furthermore, the ability to react appropriately to unforeseen disturbances is generally assumed.
  • the human user can interact with the patient and the robot system at the same time. This means that he or she always has the best possible information about the surgical procedure and full control over the further procedure, especially up to the point of foregoing robotic support and continuing the procedure manually.
  • DE 32 40 251 describes the control of a robot arm using an input device with an integrated force sensor.
  • the input device records the forces and moments exerted by the user. These are transformed into an inertial system and then the desired translation and rotation speeds of the robot end effector are calculated in the inertial system based on this.
  • DE 10 2018 114 644 B3 describes a robot manipulator which has a sensor for detecting a force winder between the distal robot limb and the end effector, as well as another sensor on the control housing for detecting a user force or a user moment. Based on the data from these two sensors, a computing unit uses a dynamic model of the robot to calculate a target force or a target moment for moving the robot limbs, as well as a target force or a target moment for exerting on an external object by the end effector.
  • DE 10 2013 019 869 A1 describes modular, manually operable input modules which can be mounted either between the arm modules that move relative to each other or on the tool interface of a robot arm. The user inputs on these modules can be used to control the axes of the robot arm located between the input module and the robot base and, for example, to teach a trajectory.
  • the housing connected to the penultimate axis is cylindrically designed around the last axis.
  • This housing can optionally be equipped with a graphic output unit.
  • Above this housing there are one or more input elements that can be rotated, in particular continuously with a locking mechanism or detachable clip connection, around the last axis.
  • the states of the input elements and the mechanical state of the robot arm, in particular positions and their derivatives, forces and moments, are used to generate the control instructions of the robot.
  • DE 10 2016 222 675 A1 describes a robot handheld device that can be coupled to a robot arm via a coupling device between the end effector and the robot arm.
  • the robot handheld device has a handle, several buttons and a force sensor, at the distal end of which is the interface of the coupling device. With this interface, the robot handheld device can be detachably connected to the coupling device on a robot arm. From this point on, the forces and moments exerted by the user on the handle can be measured and used to manually guide the robot.
  • EP 2 194 434 Bl describes the control of an industrial robot with the aid of a portable programming terminal and a manual guidance device which is coupled to the movable robot structure or the end effector via quick coupling devices.
  • the manual guidance device can communicate wirelessly with the programming terminal assigned to it.
  • the programming terminal in turn is connected to the control device of the robot arm by cable or wirelessly. It is possible to configure the programming terminal or the control device in such a way that the movements of the robot are selectively limited for one or more degrees of freedom.
  • Takacs2020 (Takacs, Bence, and Tamas Haidegger. "Autonomous applied ro- botics: Ultrasound-based robot-assisted needle insertion system concept and development.” 2020 IEEE 15th International Conference of System of Systems Engineering (SoSE). IEEE, 2020.) describes a system for vein injection, consisting of an LBR iiwa robot (KUKA, Augsburg, Germany), an ultrasound transducer, and a tool with three degrees of freedom for positioning and inserting the injection needle. The interaction forces of the tool with the patient can be recorded via a force sensor between the tool and the robot's tool interface.
  • LBR iiwa robot KUKA, Augsburg, Germany
  • ultrasound transducer a tool with three degrees of freedom for positioning and inserting the injection needle.
  • the interaction forces of the tool with the patient can be recorded via a force sensor between the tool and the robot's tool interface.
  • an ultrasound transducer is attached to a robotic arm and the ultrasound image is registered against preoperative image data.
  • Parallel to the longitudinal axis of the ultrasound transducer is a guide for the biopsy needle, which can thus be specifically aligned to pre-planned points in the prostate.
  • Lim2019 (Lim, Sunghwan, et al. "Robotic transrectal ultrasound guided prostate biopsy.” IEEE Transactions on Biomedical Engineering 66.9 (2019): 2527- 2537.) describes another robotic system for prostate biopsy, which has similar features and a similar workflow as the Innomedicus Artemis system.
  • the iSR'obotTM Mona Lisa system (https://biobotsurgical.com/) for prostate biopsy also offers the option of changing the position and orientation of the biopsy needle relative to the ultrasound transducer in an actuated manner. The translational movement of the biopsy needle is also actuated.
  • Welleweerd2020 (Welleweerd, Marcel K., et al. "Design of an end-effector for robot-assisted ultrasound-guided breast biopsies.” International journal of computer assisted radiology and surgery 15.4 (2020): 681-690.) describes a system for ultrasound-guided breast biopsies. This is designed as an end-effector for a lightweight robot, which has an ultrasound transducer, a stereo camera and a needle guide actuated by three servo motors.
  • JP 5637883 B2 describes a control device for a robot with a sensor on an operating handle.
  • the object of the invention is to provide a robot arm, an ultrasonic robot and a method for controlling a robot arm, wherein the control of the robot arm is optimized, in particular made more precise.
  • the objects are achieved according to the invention by a robot arm according to claim 1, an ultrasound robot according to claim 12 and a method for controlling a robot arm according to claim 13.
  • the robot arm according to the invention is in particular a medical robot arm. It is particularly preferably a hands-on robot arm.
  • a hands-on robot arm within the scope of the present invention is in particular a robot arm that is designed for direct interaction of a user with the robot arm, in particular with one or more robot links, to influence the movements and/or the behavior of the robot arm.
  • the robot arm has a robot structure with an arm link chain and a tool.
  • the arm link chain has at least one arm link and at least one joint.
  • the at least one joint is in particular a joint with one or two or three degrees of freedom.
  • the at least one joint is preferably a universal joint or a ball joint.
  • At least one tool is connected to the arm link chain, in particular distally.
  • the tool is designed for connection, in particular detachable or non-detachable, to at least one end effector.
  • the robot arm also has at least one end effector sensor for detecting forces and/or moments acting on an end effector connected to the tool.
  • one end effector sensor is provided for each end effector to be connected or connected.
  • the end effector sensor is in particular arranged and/or designed such that forces and/or moments acting on the end effector from the environment, in particular from a patient or a workpiece, are detected.
  • the robot arm also has at least one structure sensor for detecting forces and/or moments acting on the robot structure.
  • the structure sensor is in particular arranged and/or designed such that forces and/or moments acting on the robot structure by a user are detected.
  • the user is in particular medical personnel.
  • the arm link chain is proximally connected to a fastening device, for example a stand.
  • the robot arm, in particular the tool has an input interface for user inputs.
  • the input interface has at least one button, a thumbstick, a control pad and/or a touchscreen.
  • the robot arm, in particular the tool has an output interface for optical and/or acoustic outputs to a user.
  • the output interface has, for example, at least one LED, a display and/or a loudspeaker.
  • the invention makes it particularly advantageous to be able to detect and quantify the physical contact of a user with the robot arm, in particular the arm structure.
  • the present invention advantageously enables the detection of forces and/or moments acting on end effectors, in particular from the environment, such as a patient, and on the robot structure, in particular from a user.
  • a distinction can be made between forces on the end effector, in particular on the patient side, and forces on the tool and/or robot, in particular on the operator side, preferably by separate measurements. This represents a significant advantage over existing systems in which pure position control of the robot system takes place. This pure position control was found to be insufficient within the scope of the invention.
  • the invention is particularly advantageous in permanently monitoring the interaction forces between the robot system and the patient, for example in order to be able to detect deviations from the desired process at an early stage and/or to be able to correctly use medical end effectors attached to the robot, e.g. ultrasound transducers, biopsy forceps, injection needles.
  • medical end effectors attached to the robot e.g. ultrasound transducers, biopsy forceps, injection needles.
  • the invention therefore offers particular advantages over most of the systems of the prior art, e.g. DE 10 2013 019 869 A1, DE 10 2015 117 213 B4, EP 2 194 434 Bl, JP 5637883 B2, in which no differentiation of the interaction forces between the user and the robot system and between the robot system and the patient or workpiece is possible.
  • DE 32 40 251 in particular in contrast to the invention, no dynamic decoupling of the components of the workspace is possible. Since the robot structure in DE 32 40 251 itself does not have any sensors, in particular force-torque sensors, user interactions cannot be recorded.
  • the present invention particularly advantageously enables recording of the interaction of the end effector with the environment and the arm structure with a user. This is especially true for the Welleweerd2020 system, which is designed for autonomous operation.
  • system of the present invention can be used with common robot arms, in particular lightweight robot arms, and/or that the system can be used for actuated end effectors.
  • the at least one end effector sensor is a force sensor, a torque sensor or a force-torque sensor.
  • the force-torque sensor is in particular a force-torque sensor with a degree of freedom of 2 to 6.
  • the end effector sensor it is also possible for the end effector sensor to be a force sensor with one degree of freedom, preferably in the longitudinal direction of the end effector.
  • the at least one structural sensor is a force sensor, a torque sensor or a force-torque sensor.
  • the force-torque sensor is in particular a force-torque sensor with one degree of freedom. from 2 to 6.
  • the arm link chain has several arm links and/or several joints.
  • two arm links arranged next to each other are movably connected to one another by a joint each.
  • the arm link chain preferably has several arm links with joints arranged between them.
  • a structural sensor between the tool and the arm link chain for detecting forces and/or moments acting on the tool.
  • This structural sensor is preferably a 6-DOF force-moment sensor.
  • This structural sensor can in particular be the only structural sensor of the robot arm according to the invention, but preferably at least one further structural sensor can be provided for detecting forces and/or moments acting on the robot structure.
  • a structural sensor is provided for at least one arm link to detect forces and/or moments acting on this arm link.
  • a structural sensor is provided for several arm links, particularly preferably for each arm link, to detect forces and/or moments acting on the respective arm link.
  • this at least one structural sensor is connected to the respective arm link, preferably directly.
  • this at least one structural sensor is a 3-DOF force-moment sensor.
  • the robot arm has at least one end effector that is detachably or non-detachably connected to the tool.
  • the at least one end effector is in particular an ultrasound transducer, a biopsy forceps or an injection needle.
  • Several end effectors, preferably several of the above end effectors, are connected to the tool.
  • the several end effectors are arranged in particular in parallel.
  • the at least one end effector is in particular movable or immovable; and/or actuated or non-actuated.
  • an end effector sensor for detecting forces and/or moments acting on the tool is arranged between the at least one end effector, in particular between each end effector, and the tool.
  • This at least one end effector sensor is preferably connected to the respective end effector and the tool, preferably directly.
  • the robot structure has a tool interface arranged between the arm link chain and the tool for connecting the tool to the tool interface, in particular in a detachable manner.
  • the tool interface has in particular a tool center point (TCP).
  • TCP tool center point
  • the tool center point is in particular not a real part, but a point defined in relation to the last robot link. This point can also be located outside the tool, for example. This point is used in particular to describe the movements of the tool in Cartesian space.
  • a structural sensor for detecting forces and/or moments acting on the tool interface and thus also on the tool is arranged between the arm link chain and the tool interface.
  • This structural sensor is preferably a 6-DOF force-moment sensor.
  • This structural sensor can in particular be the only structural sensor of the robot arm according to the invention, but preferably at least one further structural sensor can be provided for detecting forces and/or moments acting on the robot structure.
  • the robot arm further comprises a control unit for controlling the robot arm.
  • the control unit comprises in particular a processor and/or a controller.
  • the control unit is preferably designed to receive and in particular process the forces and/or moments detected by the end effector sensor and the structure sensor.
  • the control unit is preferably designed to move the robot structure and/or to actuate the at least one end effector based on the forces and/or moments received and in particular processed by the end effector sensor and the structure sensor.
  • the robot structure has at least one virtual fixture, in particular for limiting and/or damping the movement of the robot arm.
  • the control unit is preferably set up to adjust the at least one virtual fixture based on the forces and/or moments received and in particular processed by the end effector sensor and the structure sensor.
  • the virtual fixture is in particular not a real part. It is defined and parameterized in particular in software of the robot arm, preferably the control unit, in order to influence the behavior of the real robot arm, for example by preventing movements in certain areas.
  • the ultrasound robot according to the invention is in particular an ultrasound robot for facet joint injection.
  • the ultrasound robot has a robot arm with one or more features of the robot arm according to the invention.
  • the ultrasound robot has an ultrasound transducer connected to the tool as an end effector. It is preferred that the ultrasound robot further has an injection needle connected to the tool as a further end effector.
  • the ultrasound transducer and injection needle are arranged in particular in parallel.
  • the Injection needle is arranged in the image plane of the ultrasound transducer, but can be moved and tilted in it
  • One example in which the invention can be used particularly advantageously is robot-assisted treatment of facet joint inflammation using ultrasound imaging.
  • pain-relieving and anti-inflammatory drugs are generally injected into the facet joints of the human spine, with a live ultrasound image being used for the correct positioning of the needle.
  • a live ultrasound image being used for the correct positioning of the needle.
  • interventions have generally been carried out manually, which places considerable coordination and cognitive demands on the doctor performing the procedure. The doctor must simultaneously guide the ultrasound transducer, interpret the ultrasound image and coordinate the injection needle.
  • Attaching the ultrasound transducer and the needle guide to a robot arm enables reproducible, gravity-compensated movement of the ultrasound transducer (and, if desired, also a limitation of the range of motion) and at the same time ensures the correct positioning of the needle guide in relation to the ultrasound transducer. It was found that the quality of the ultrasound image depends heavily on the adequate orientation of the transducer and the pressure force. It is therefore advantageous in the robot-assisted scenario for the robot system to be able to measure the interaction forces between the ultrasound transducer and the patient. If the doctor controls the system during the procedure using physical human-robot interaction, it is advantageous to ensure that the forces and moments exerted by him do not affect the measurement of the interaction forces.
  • the method according to the invention for controlling a robot arm is in particular a method for controlling a medical robot arm. It is preferably a method for controlling a robot arm with one or more features of the robot arm according to the invention or the ultrasound robot according to the invention.
  • the method relates in particular to the movement of the robot arm, preferably the Robot structure.
  • the method preferably relates exclusively to the movement of the robot arm, preferably the robot structure.
  • the method does not relate to the control, preferably movement and/or actuation, of end effectors.
  • the method preferably relates, for example, to the detection of forces during an end effector actuation, for example during needle advance.
  • the method can thus preferably detect a collision, for example with a bone, and react accordingly.
  • the advance can be reduced or stopped, or a return movement can take place, preferably by a predefined distance.
  • the method comprises the step of detecting forces and/or moments acting on at least one end effector of the robot arm.
  • the step of detecting forces and/or moments acting on at least one end effector of the robot arm is preferably carried out by means of at least one end effector sensor, preferably connected to at least one end effector.
  • the method further comprises the step of detecting forces and/or moments acting on a robot structure of the robot arm.
  • the step of detecting forces and/or moments acting on the robot structure of the robot arm is preferably carried out by means of at least one structure sensor, preferably connected to the robot structure.
  • the method preferably further comprises the step of determining, in particular calculating, interaction forces and/or interaction moments of the robot arm based on the detected forces and/or moments.
  • the determination of the interaction forces and/or interaction moments takes place in particular by means of a control unit of the robot arm.
  • the method comprises the further step of outputting the interaction forces and/or interaction moments, in particular to an overall control system of the robot arm.
  • the "output" of the interaction forces and/or interaction moments is in particular a Transmission of the interaction forces and/or interaction moments, and/or a visual display of the interaction forces and/or interaction moments.
  • the method further includes in particular storing the interaction forces and/or interaction moments, for example for documentation purposes.
  • the method can also include further use of the recorded forces and/or moments in the system control.
  • the robot movement e.g. the TCP of the robot
  • the robot movement can be controlled in certain Cartesian spatial directions based on the end effector forces and/or moments and/or in other Cartesian spatial directions based on the interaction forces and/or moments between the user and the tool or the user and the robot arm.
  • signals to be processed before being passed on to the control system, e.g. by signal filtering or adapting the signal frequency to the control frequency via downsampling and/or interpolation.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of an ultrasound robot according to the invention with an embodiment of a robot arm according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of another embodiment of an ultrasound robot according to the invention with another embodiment of a robot arm according to the invention
  • Fig. 3 is a diagrammatic representation of an embodiment of a method according to the invention for controlling a robot arm
  • Fig. 4 is a schematic representation of a robotic system for
  • FIG. 5a-5b Network representations of teleoperation models for implementing an embodiment of an ultrasound robot according to the invention, an embodiment of a robot arm according to the invention and/or a method according to the invention for controlling a robot arm,
  • Fig. 6 is a diagrammatic representation of a strategy for generating the
  • Fig. 7 is a schematic perspective view of a tool with
  • FIG. 8a-8b representations of a tool with an end effector for implementation within the framework of a further embodiment of an ultrasonic robot according to the invention and/or a further embodiment of a robot arm according to the invention
  • FIG. 9 Representation of a kinematics for implementing an embodiment of an ultrasound robot according to the invention, an embodiment of a robot arm according to the invention and/or a method according to the invention for controlling a robot arm
  • Fig. 10 shows a representation of a further tool variant for implementation within the framework of a further embodiment of an ultrasonic robot according to the invention and/or a further embodiment of a robot arm according to the invention
  • FIG. lla-llb representations of a further tool variant for implementation within the framework of a further embodiment of an ultrasonic robot according to the invention and/or a further embodiment of a robot arm according to the invention
  • Figs. 12a-12b show representations of a further tool variant with an end effector within the framework of a further embodiment of an ultrasonic robot according to the invention and/or a further embodiment of a robot arm according to the invention.
  • the method features described can be implemented in particular within the scope of the ultrasound robot 100 according to the invention and/or within the scope of the robot arm 10 according to the invention, wherein preferably the ultrasound robot 100 and/or the robot arm 10, particularly preferably a control unit 23 of the ultrasound robot 100 and/or the robot arm 10, is set up to carry out at least one of the method features.
  • the concepts of the invention are applicable in the field of hardware as well as in medical applications, in particular in medical applications in which a rotationally symmetrical tool is to be positioned with robot support using intraoperative imaging, e.g. placing bone screws, taking biopsies.
  • the methods, in particular control concepts are preferably transferable to other applications, for example in which the interaction forces between the user and the robot arm and between the robot arm and the environment are to be measured synchronously.
  • Figure 1 shows an embodiment of an ultrasound robot 100 according to the invention, in particular for facet joint injection, with an embodiment of a robot arm 10 according to the invention.
  • the robot arm 10 has a robot structure 12 with an arm link chain 18 and a tool 20 distally connected to the arm link chain 18 via a tool interface 26.
  • the arm link chain 18 has two arm links 14i, 14i+i that are movably connected via a joint 16i+i.
  • the arm link 14i is movably connected to a base 28 via a joint 16i.
  • a tool interface 26 is connected distally to the arm link 14i+i.
  • a tool 20 is connected, in particular detachably, to the tool interface 26.
  • the tool interface 26 has a structure sensor 24.
  • the structure sensor 24 is arranged in particular between the tool interface 26 and the tool 20 and/or between the tool interface 26 and the arm link chain 18.
  • the structure sensor 24 is designed and/or arranged to detect forces and/or moments of a user 102 on the tool 20.
  • the structure sensor 24 is a 6-DOF force-moment sensor.
  • the user 102 is in particular medical personnel who, for example, moves the tool 20 with the hand 106 and thus applies forces and/or moments to the tool 20.
  • the end effector 32a is an ultrasound transducer 32a
  • the end effector 32b is an injection needle 32b.
  • the injection needle 32b is connected to the tool 20 via a needle guide 34b, which can be actuated and/or moved in particular.
  • End effector sensors 22a, 22b are provided to detect forces and/or moments from the environment, in particular from patients 104, for example during an ultrasound-assisted facet joint injection, on the end effectors 32a, 32b.
  • End effector sensor 22a is designed and/or arranged to detect forces and/or moments acting on the ultrasound transducer 32a.
  • end effector sensor 22a is arranged between the ultrasound transducer 32a and the tool 20.
  • End effector sensor 22b is designed and/or arranged to detect forces and/or moments acting on the injection needle 32b.
  • end effector sensor 22b is arranged between the injection needle 32b and the tool 20, preferably between the needle guide 34b and the tool 20.
  • the end effector sensor 22a and/or end effector sensor 22b is in particular a force sensor, a torque sensor or a force-torque sensor with two to six degrees of freedom, in particular preferably a 6-DOF force-moment sensor.
  • the end effector sensor 22a and/or end effector sensor 22b can also be a force sensor with 1-DOF.
  • the end effector sensor 22b is preferably a 1-DOF force sensor, which in particular detects the force in the longitudinal direction of the injection needle 32b.
  • the detected forces and/or moments that act on the tool 20 of user 102 and on the end effectors 32a, 32b of patient 104 are detected via the sensors 24, 22a, 22b and can be used to control the robot arm 10.
  • the detected forces and/or moments are transmitted to a control unit 23 for the robot arm 10.
  • interaction forces and/or interaction moments of the robot arm 10 can be calculated, preferably by the control unit 23, and these can preferably be included in the overall regulation, in particular overall control, of the robot arm 10.
  • Figure 2 shows a further embodiment of an ultrasound robot 100 according to the invention, in particular for facet joint injection, with a further embodiment of a robot arm 10 according to the invention.
  • a structure sensor 24i, 24i+i is provided for each arm member 14i, 14i+i, in particular connected to the respective arm member 14i, 14i+i.
  • a structure sensor 24i+2 is provided for detecting forces and/or moments on the tool 20, in particular connected to the tool interface 26.
  • the end effector 32a is shown as an ultrasound transducer 32a, which is connected to the tool 20 by means of two fastening elements 34a1, 34a2 that are movably connected via a joint 30.
  • an injection needle 32b is connected to the tool 20 via a needle guide 34b and a biopsy forceps 32c is connected to the tool 20 via a fastening element 34c as end effectors 32b, 32c.
  • an end effector sensor 22a, 22b, 22c is provided for detecting forces and/or moments on the respective end effector 32a, 32b, 32c, in particular arranged between the end effector 32a, 32b, 32c and the tool.
  • the following method steps can be implemented and/or the robot arm 10 can be designed to carry out the following method steps:
  • the interaction forces of a user 102 and the robot structure 12 of the robot arm 10 between two sensors 24i, 24i+i can be calculated by subtracting the measured values of two consecutive sensors 24i, 24i+i in the robot structure 12, taking into account the dynamic model of the robot arm 10.
  • the interaction forces of user 102 and tool 20 can be calculated, taking into account the dynamic model of the tool 20, as the difference between the measured values of the sensor of the tool interface 26 and the sum of the measured values of the sensors 22a, 22b, 22c on the end effectors 32a, 32b, 32c;
  • an external force sensor could also be used between the tool interface 26 and the tool 20.
  • the interaction forces between end effectors 32a, 32b, 32c and the environment can be detected, in particular read, directly using the respective end effector sensors 22a, 22b, 22c.
  • the force sensor 26 can in particular be integrated into the robot arm 10, preferably arranged between the arm link chain 18 and the tool interface 26, for example as shown in Fig. 2. In this arrangement, it is preferred that the weight and, in the case of dynamic movements, the mass inertia of the tool interface 26 is determined and in particular in the calculations of the tool interaction forces. Alternatively, the force sensor can be arranged in particular between the tool interface 26 and the tool 20.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention for controlling a robot arm is described below with reference to Figure 2.
  • the features described in the context of the following method can preferably also be implemented independently of the embodiment of Figure 2 in the context of a method according to the invention for controlling a robot arm and/or in the context of a control unit 23 of a robot arm 10 according to the invention and/or in the context of a control unit 23 of an ultrasound robot 100 according to the invention.
  • the steps are implemented in the context of a control unit 23, it is preferred that the control unit 23 is set up to carry out corresponding method steps, for example by means of processors and/or FPGAs.
  • a first step consists in detecting forces and/or moments acting on the end effectors 32a, 32b, 32c of the robot arm 10, in particular by means of the corresponding end effector sensors 22a, 22b, 22c.
  • a second step consists in detecting forces and/or moments acting on the robot structure 12, in particular on the arm members 14i, 14i+i and/or the tool 20 of the robot arm 10, in particular by means of the corresponding structure sensors 24i, 24i+i, 24i+2.
  • first and second steps may be carried out in the following order: first step 1, then step 2; or first step 2, then step 1; or step 1 and step 2 in parallel; or step 1 and step 2 overlapping.
  • a further step consists in determining, preferably calculating, interaction forces and/or interaction moments of the robot arm using the detected forces and/or moments, in particular by the structural sensors 24i, 24i+i, 24i+2 and/or the end effector sensors 22a, 22b, 22c.
  • the determination of the interaction forces and/or interaction moments takes place in particular by means of a control unit 23 (see Fig. 1) of the robot arm 10.
  • a control unit 23 see Fig. 1 of the robot arm 10.
  • 6x1 force-moment vectors are calculated from the detected sensor data, whereby in particular forces and moments due to gravity and system dynamics are not taken into account.
  • a preferred calculation procedure of the method and/or the control unit of the robot arm 10 is:
  • Fuser_ArmStructure_I Fsensor_ArmStructure_I“ Fsensor_ArmStructure_I+l“ FDyn_ArmStructure_I
  • Fsensor_EndEffectorl Fsensor_EndEffectorI FEndEffectorll — Fsensor_EndEffectorII FEndEffectorl II — Fsensor_EndEffectorIII
  • Fuser Armstructurei i is the external force-moment vector on the robot structure 12 between joint 16i and joint 16i+i, in particular between the two structure sensors 24i, 24i+i
  • Fsensor_Armstructurei is the force-moment vector measured at the joint 16i, in particular at the structure sensor 24i
  • Fuser _TOOI is the external force-moment vector on the tool 20
  • Fsensor TCP is the force-moment vector measured at the structure sensor 24I+2, at the tool interface 26 (TCP) of the robot arm
  • Fsensor _End Effecton is the force-moment vector measured at the end effector 32a, 32b, 32c with the respective end effector sensor 22a, 22b, 22c is the force-moment vector measured
  • the reference system can It can be fixed to the end effector or it can be a fixed (inertial) world coordinate system, although it is preferred that all force-moment vectors are in the same reference system or are converted to it.
  • the torques for the individual joints 16i, 16i+i, 16i+z can be calculated in particular from the Cartesian force-moment vectors by multiplying them with the associated Jacobian matrices, preferably fixed to the body or inertially.
  • the variables F are in particular six-dimensional vectors with three forces and three moments.
  • the calculated 6x1 force-moment vectors can be used in particular to control the robot arm 10, preferably different joints 16i, 16i+i, 16i+2 of the robot arm 10.
  • the Fuser_Arm-Structurel can be used to control the zero-space movement and the Fuser_TOOI to move the tool 20 on the tool interface 26 of the robot arm 10, whereby optionally virtual fixtures 318 based on FEndEffecton (see Fig. 5b) can limit the interaction forces with the environment.
  • a preferred control architecture of the process and/or the control unit consists of a control architecture with decoupled degrees of freedom.
  • a Cartesian impedance controller / which controls positions and orientations with the desired interaction dynamics (mass-spring-damper), or a force/torque controller F, which controls the forces and moments, is activated independently for all coordinates of the task space.
  • the control processes in different coordinates are dynamically decoupled in particular to avoid crosstalk between the control processes in the different coordinates.
  • a separate controller is implemented for each of the six degrees of freedom.
  • a preferred strategy for generating controller inputs of the method and/or the control unit 23 is:
  • the controller is switched in particular to Fjj-0 to control a zero force or a zero moment for that particular coordinate jj. This makes the robot retractable in that coordinate. Since no forces are applied, the control is inherently safe. This allows the user to intervene by manually correcting or completing the respective subtask in HandsOn mode.
  • the method is implemented and/or the control unit 23 is set up, in particular by means of high-level software, to identify the current step in the course of the operation based on the system state and the sensor data and to adapt the controller inputs based on this. If the current operation step cannot be determined with sufficient certainty, either a user input can be requested, or the strategy described above for generating the controller input without a suitable input comes into effect.
  • the associated error estimates are also preferably reported, preferably to the control unit 23, particularly preferably to the high-level software.
  • a combination of inertial scaling, haptic guidance with virtual fixtures and force feedback is also carried out in the control unit 23, for example in a controller of the control unit 23 or as part of the method.
  • this not only enables precise feedback of the measured forces to the user 102, in particular by means of the proposed controller, but also modification of the measured values by inertial scaling and virtual fixtures.
  • a preferred strategy for optimizing the reversibility by inertial scaling of the method and/or the control unit 23 is:
  • inertial scaling can preferably be implemented, in particular the controllers can contain the inertial scaling.
  • This modifies in particular the inertia perceived by the user 102 according to the requirements of the respective application. This can give the user the feeling, for example in hands-on mode, that the robot arm he is moving is, in particular almost, massless and/or friction-free.
  • the weight of the rest of the tool can be compensated for this, so that preferably the user has the feeling of only moving the ultrasonic transducer.
  • Preferred virtual fixtures are implemented within the framework of the method and/or by means of the control unit 23:
  • virtual fixtures AVlrtualFlxture ⁇ x ⁇ d, pVF,d can be activated and parameterized by pVF,d in the robot arm 10, in particular to represent haptic guidance primitives and exclusion zone restrictions, which can reduce the cognitive load on the user and increase safety.
  • the virtual forces FV resulting from the virtual fixtures can in particular be added to the pre-processed force-moment vectors at the end effectors FEndEffectori in order to realize virtual haptic guidance.
  • fault observers and/or safety systems are implemented within the framework of the method and/or by means of the control unit 23:
  • Safety is guaranteed in particular by limiting forces and speeds and ensuring the stability of the controlled system by, for example, passivity observers.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention is shown in a flow chart in Figure 3.
  • forces and/or moments of the robot structure 12 are detected, in particular by means of at least one structure sensor 24 (step 202), and forces and/or moments of the at least one end effector 32 are detected, in particular by means of at least one end effector sensor 22 (step 204).
  • detected forces and/or moments are pre-processed, for example by filtering noise and/or compensating for a static offset (step 206).
  • the pre-processed forces and/or moments are used together with the forces and/or moments resulting from a dynamic model of the robot arm 10 (step 208) to calculate the interaction forces and/or moments (step 210).
  • these are then transformed into a common coordinate system (step 212) and preferably output to the control, in particular regulation, of the overall system of the robot arm 10 (step 214).
  • FIG 4 shows a schematic representation of a preferred robotic system 1000 implemented in an ultrasound robot 100 according to the invention and/or a robot arm 10 according to the invention.
  • the forces F and masses M of the robotic system 1000 are shown in one degree of freedom.
  • the system 1000 is shown to consist of robot structure 12, tool 20 and end effector 32.
  • the external force Fh acting on the system, for example by a user 102, and force Fe, by the environment 105, for example a patient 106, can be determined using the respective sensors 22, 24, in particular designed as 6-DOF force-moment sensors.
  • F c is the force on the robot arm 10 set by a preferred force controller in this degree of freedom.
  • V is the speed of the entire system
  • the last line describes the force Fh felt by the user when moving the tool.
  • the user should ideally have the feeling of moving the end effector alone and of feeling its interaction forces with the environment Fe when moving the tool attached to the robot:
  • the remaining disturbance due to the damping D can be further reduced by inserting a damping term in F c .
  • Figures 5a and 5b show network representations of teleoperation models for implementing an embodiment of an ultrasound robot 100 according to the invention, an embodiment of a robot arm 10 according to the invention and/or a method according to the invention for controlling a robot arm 10.
  • the system described above in the context of Figure 4 can be converted in particular into the teleoperation model shown in Figure 5a.
  • the real leader has the robot structure 12 and the virtual follower has the end effector 32, in particular with the desired dynamics.
  • the PCR 306 (Passive Coupling Reference) block ensures that the overall system behaves passively, i.e. does not generate any energy.
  • the port network representation uses velocity (V) and force (F) sources. Specifically, if the user 102 moves the robot 12 at a velocity Vd, this will be communicated to the virtual follower so that the virtual follower, specifically the end effector 32, also moves at the desired velocity Vd. This is done via the V-Source block 310. The desired velocity Vd is commanded to the Ctrl block, position controller 312, so that the Ctrl generates the force Fc to move the end effector 32 to follow the velocity Vd by comparing it to the end effector velocity Vr.
  • virtual fixtures 318 are implemented in Fig. 5b to stop the movement of the end effector in certain directions by applying a force Fv to the end effector.
  • the weights Wc and Wv can take values between 0 and 1, depending on which Degrees of freedom/directions of movement must be controlled by the two controllers. These weights are determined by block 313 of the common control.
  • Figure 5b shows an extension of the teleoperation model from Figure 5a by virtual fixtures 318.
  • Figure 6 shows a diagrammatic representation of a strategy for generating the controller inputs for implementing an embodiment of an ultrasonic robot 100 according to the invention, an embodiment of a robot arm 10 according to the invention and/or a method according to the invention for controlling a robot arm 10.
  • the setpoint values (step 402) for forces and/or moments, for example from the control unit 23, in particular from high-level software, of the robot arm 10 are checked again (step 404) before being passed on to the control, in particular regulation, and modified if necessary (step 406). If the high-level software does not provide a valid setpoint value for a coordinate j, a zero force is commanded in this coordinate. If the control unit 23, in particular the high-level software, only provides a discrete value for a coordinate j, ie in particular with an update rate ⁇ control rate of the robot system, the input value for the controller is calculated for intermediate periods using a Cartesian interpolator and modified accordingly (step 410).
  • Figure 7 shows a schematic, perspective view of a tool 20 with end effectors 32a, 32b for implementation within the framework of a further embodiment of an ultrasound robot 100 according to the invention and/or a further embodiment of a robot arm 10 according to the invention.
  • the tool 20 is in particular a tool for ultrasound-assisted facet joint injection.
  • This tool 20 is particularly modular in design to support the use of different ultrasound transducers 32a and injection needles 32b.
  • the ultrasound transducer 32a is particularly designed to provide intraoperative images, for example to be able to position the tip of the injection needle 32b correctly on the facet joints of the spine.
  • the ultrasound transducer 32a is detachably connected via the form-fitting transducer attachment 34a to an end effector sensor 22a, particularly designed as a 6-DOF force-moment sensor, which can measure the interaction forces between the patient 106 and the ultrasound transducer 32a.
  • the proximal side of the force-moment sensor is connected to the central structural part 52 of the tool 20.
  • the positioning and alignment of the needle guide 34b is carried out via an actuated translational degree of freedom 48 and an actuated rotational degree of freedom 50.
  • a further actuated translational degree of freedom 40 is provided for moving the syringe 33b of the injection needle 32b along its longitudinal axis, with an in particular optional end effector sensor 22b detecting the interaction forces of the injection needle 32b.
  • a stereo camera 42 can be used to monitor movements of the patient 106 and to provide a first estimate for the positioning of the ultrasound transducer 32a.
  • integrated buttons 46 serve as an input interface, and in particular a ring of RGB LEDs 44 serves as an output interface for the user 102.
  • the guide for the injection needle 32b is positioned and aligned as soon as the facet joint to be treated is clearly visible in the ultrasound image.
  • the injection needle 32a should point to the entrance to the facet joint, keep the path through the patient's tissue as short as possible and run sufficiently close to the center of the ultrasound image, especially since the image quality drops off towards the edge. Since the injection needle 32a should run in the image plane of the ultrasound image, this is a planar problem. Therefore, at least one degree of rotational freedom is preferred for the orientation of the needle guide 34a in the image plane. In addition, a second degree of freedom is advantageous in order to enable repositioning of the injection needle 32b without moving the ultrasound transducer 32a.
  • This repositioning may be preferred if the injection needle 32b deviates from its desired path during insertion due to the nature of the tissue and the planned injection site cannot therefore be reached. Movement of the ultrasound transducer 32a should be avoided because this could impair the registration between preoperative planning and ultrasound image and could contaminate the puncture site of the injection needle 32b with ultrasound gel.
  • the tool 20, as shown in Figure 7, has a fastening option 62 for a stereo camera 60 or another, in particular similar, optical sensor.
  • This sensor is in particular mounted in such a way that it can detect the three-dimensional skin structure of the patient 106 in the vicinity of the ultrasound transducer 32b.
  • the detected 3D surface can in particular subsequently be compared with the data from the preoperative imaging, for example typically CT images, in order to identify the approximate position of the facet joint to be treated.
  • the ultrasound transducer 32b is positioned close to the patient's spine.
  • ultrasound images of the spine in the vicinity of the estimated position are compared with the image data from the preoperative planning and registered.
  • the needle guide can be positioned and aligned according to the planning.
  • the described approximate positioning of the ultrasound transducer using the stereo camera 42 can be carried out autonomously, i.e. without intervention by the user 102. On the other hand, it reduces the search space for registering the ultrasound images and the preoperative image data. Since this registration is complex and computationally intensive due to the different imaging modalities, in particular preoperative CT images and intraoperative ultrasound images, the risk of error and the computational effort can be reduced in this way.
  • the latter preferably has a user interface suitable for this purpose, consisting of an input interface 46 and/or output interface 44.
  • the input interface 46 should in particular enable navigation through a simple menu structure, which is why 20 buttons, e.g. up, down, confirmation/level change, have been integrated in the present tool.
  • buttons e.g. up, down, confirmation/level change
  • other interfaces such as thumbsticks, control pads or a touchscreen can also be used.
  • the output interface 44 is intended in particular to provide the user 102 with feedback on the current system status.
  • an RGB LED ring 44 is preferably used for this purpose, in particular in the area of the robot interface 46, other possible designs would be, for example, individual status LEDs or a small display.
  • Figure 8a shows a sectional view of a tool 20, in particular a partial tool 20, with an end effector 32b for implementation within the framework of a further embodiment of an ultrasonic robot 100 according to the invention and/or a further embodiment of a robot arm 10 according to the invention.
  • the partial tool 20 from Figure 8a is preferably a detailed view of the section VIII from Figure 7.
  • Figure 8b shows a perspective, side view of the tool 20 from Figure 8a, in particular with transducer 32a, fastening 34a and sensor 22a.
  • the ultrasonic transducer 32a is connected to the distal side of an end effector sensor 22a, in particular designed as a 6-DOF force-moment sensor, via a transducer attachment 34a with a form-fit and/or force-fit connector consisting of the elements 35a, 35b and a mounting plate 35c.
  • the proximal side of the end effector sensor 22a is connected to the central structural part 52 of the tool 20.
  • the housing 21 of the tool 20 is in particular designed such that it does not touch the distal sensor side in order not to impair the measurement.
  • both the latch 35a which can be fixed via a hinge 64 and a knurled screw 56, and the negative mold 35b are transducer-specific, while in particular the other components of the transducer attachment 34a can be used for various models of ultrasonic transducers 32a.
  • the transducer mounting 34a can be replaced when the ultrasonic transducer 32a is changed without having to loosen the screw connection on the actual sensor. Since assembly errors, e.g. incorrect screw length or excessive torque, can lead to damage to the End effector sensor 22a, the risk of damage is reduced in particular.
  • the attachment of the model-dependent transducer attachment 34a to the mounting plate 34a can preferably be released without tools, e.g. using click fasteners, magnets or knurled screws.
  • the locking mechanism of the transducer attachment 34a can also preferably be fixed without tools.
  • the transducer attachment 34a is designed to be form-fitting to the ultrasonic transducer 32a, after a one-time calibration between the transducer pose and the transducer attachment 34a, the ultrasonic transducer 32a can be repeatedly inserted and removed without the need for a calibration between the transducer pose and the transducer attachment 34a each time.
  • the cable 58 is guided without tension to the proximal side of the end effector sensor 22a and fixed there, for example by means of a clamp 60 (see Fig. 7). Since the ultrasound transducer 32a can only move minimally in the transducer attachment 34a, the disruptive forces and moments that then occur due to the cable 58 are almost constant and can easily be taken into account when processing the sensor values.
  • the transducer attachment 34a is preferably located outside the housing 21 of the tool 22. This allows the ultrasonic transducer 22a to be attached and removed without opening the housing 21. This avoids possible damage or contamination of the components inside the housing. In this case, it is preferred that there is an opening in the housing 21 in the area of the end effector sensor 22a in order to avoid the force measurement being impaired by the housing 21. To seal this opening against dirt and/or liquids, a seal is preferably provided which either functions without contact, e.g. a labyrinth seal and/or has the lowest possible rigidity, e.g. Silicone foam. This minimizes the disturbing forces and moments transmitted from the housing to the end effector sensor 22a.
  • Figure 9 shows a kinematics for implementing an embodiment of an ultrasound robot 100 according to the invention, an embodiment of a robot arm 10 according to the invention and/or a method according to the invention for controlling a robot arm 10.
  • the kinematics in Figure 9 are used in particular for positioning and orienting the injection needle within the image plane of the US transducer.
  • a closed kinematic chain with two actuated degrees of freedom for positioning and alignment of the needle guide 34b is shown:
  • the alignment of the needle guide 34b is carried out in particular via a translatory actuated degree of freedom 502 and a rotary actuated degree of freedom 503, which are coupled to one another via two passive joints 504, 505.
  • the translatory degree of freedom 502 adjusts in particular the inclination of the needle guide 34b
  • the rotary degree of freedom 503 sets the distance of the needle guide 34b from the ultrasound transducer 32a along a circular path.
  • the needle guide 34b is moved mainly horizontally by it and is only minimally lifted from the skin of the patient 106, whereby the vertical movement in particular for deflections of up to 10° is less than 10% of the horizontal movement due to the trigonometric relationships.
  • the needle 33b can be moved in particular relative to the needle guide 34b by a separate translational degree of freedom 508.
  • a closed kinematic chain with two driven degrees of freedom 502, 503 was chosen in the embodiment of Figure 9. Both degrees of freedom 502, 503 have a limit switch, in particular at one end of their range of motion, in order to carry out an initialization run after the tool 20 is switched on. Depending on the dimensions of the actuated degrees of freedom 502, 503, the range of motion of the needle guide 34b changes.
  • Figure 10 shows a representation of a further tool variant, in particular a partial tool 20, for implementation within the framework of a further embodiment of an ultrasonic robot 100 according to the invention and/or a further embodiment of a robot arm 10 according to the invention.
  • a preferred motor 601 drives a toothed belt 602, which is positively connected to carriage 603 on the linear rail 604.
  • the pre-tension of the toothed belt 602 takes place in particular via an eccentric roller 605.
  • An intermediate element 606 for fastening the needle guide 34b is attached near the patient-side end of the linear rail 604.
  • the carriage 603 it is equipped with a magnet 608 for attaching a syringe attachment.
  • the planned tool 20 should also support autonomous execution of the facet joint injection.
  • the translational degree of freedom for the needle feed is driven, for example by means of motor 601 according to Figure 10.
  • the rail 604 there is in particular a limit switch to enable an initialization run after the tool 20 is switched on.
  • the injection syringe 32b is attached to the carriage 063 in particular such that the syringe needle 33b is aligned with the needle guide 34b at the patient-side end of the profile rail guide.
  • Figure 11a shows a sectional view of a further tool variant, in particular of a partial tool 20, for implementation within the framework of a further embodiment of an ultrasonic robot 100 according to the invention and/or a further embodiment of a robot arm 10 according to the invention.
  • a separating plane is provided in the syringe attachment to enable sterile packaging ("draping") of the tool 20 during the surgical procedure.
  • draping sterile packaging
  • Both the injection needle puncture site and its surroundings must be kept sterile during a procedure, as must all system components that come into contact with it. The latter particularly applies to the injection needle 32b and the needle guide 34b.
  • the tool 20 and the robot structure 12 are generally not sterilizable due to the electronic components they contain and their complex geometry, it is preferable to package them with a sterile drape during the surgical procedure.
  • the ultrasound transducer 32a must either not touch the puncture site during the procedure or must also be draped sterilely. It is therefore preferable that the injection needle 34a is always outside the sterile drape, while the rest of the tool 20 is inside.
  • Figure 11a shows a possible embodiment, in particular based on the embodiment according to Figure 10, in which the carriage 701 and syringe attachment with elements 702, 703 are designed separately and the parts are coupled by means of magnets 704.
  • the sterile drape can be guided through between the two magnets 704 without being damaged.
  • an intermediate element is inserted into the sterile drape in the area of the syringe attachment.
  • This can be a plastic frame, for example.
  • the tool 20, the intermediate element and the syringe attachment 34b can be connected via various mechanisms, preferably those that can be fixed and released without tools, for example magnets, snap fasteners or screws.
  • this alternative solution is technically more complex but is particularly advantageous when At this point, an electrical interface should also be routed through the drape.
  • a circuit board with several spring contact pins 706 and two spring-loaded pressure pieces 707 are attached to the carriage of the linear guide 705, or for example to another component located inside the drape.
  • the two-part plastic frame with elements 708, 709 which is fixed in an opening in the drape, is first pushed onto the carriage 701 until the sides of the carriage 701, which are preferably slightly beveled, come into contact with the sides of the recess in the plastic frame, which are also preferably slightly beveled. This blocks all degrees of freedom except for horizontal translation. This last degree of freedom is also blocked by the balls of the spring-loaded pressure pieces 710 engaging in recesses in the plastic frame.
  • a circuit board with contact pads on both sides 711 is already fixed in advance within the two-part plastic frame.
  • the sterile drape has also already been fixed in the tongue and groove connection 712 between the two frame parts.
  • the syringe attachment 713 with the attached circuit board with several spring contact pins 714 can be pushed horizontally into the right recess in the plastic frame until the sides of the carriage 701, which are preferably slightly bevelled, come into contact with the sides of the recess in the plastic frame, which are also preferably slightly bevelled.
  • the catches 715 snap into the corresponding recesses in 719 and also block the horizontal translation.
  • the extensions 716 on the catches 715 make it easier to release the syringe attachment from the plastic frame.
  • the actuated mechanism for the needle advance is equipped with an end effector sensor 22b, in particular designed as a force sensor, for measuring the force in the longitudinal direction of the injection needle 32b.
  • an end effector sensor 22b in particular designed as a force sensor, for measuring the force in the longitudinal direction of the injection needle 32b.
  • the sensor described has in particular at least one degree of measurement freedom in the direction of the needle axis. However, sensors with more degrees of freedom can also be used in order to be able to detect, for example, lateral forces on the needle as a result of patient movements.
  • the end effector sensor 22b can be located either inside or outside the drape.
  • the end effector sensor 22b is in particular no longer packaged sterilely, but forces acting on the drape can affect the measurement. If it is mounted outside the drape, such interference does not occur, but the end effector sensor 22b should in particular be sterile and thus either repeatedly sterilizable or be an inexpensive disposable product. In addition, in this case in particular, the power and communication lines of the end effector sensor 22b should be guided through the sterile barrier.
  • Figure 12a shows a sectional view of a further tool variant, in particular of a partial tool 20, with an end effector 32b within the framework of a further embodiment of an ultrasonic robot 100 according to the invention and/or a further embodiment of a robot arm 10 according to the invention.
  • Figure 12a shows in particular an inexpensive disposable sensor for measuring the needle insertion forces.
  • the injection syringe 32b which has a needle 33b, is fixed to the appropriate syringe holder 34b. This is movably mounted relative to the fastening 803 of the end effector sensor 22b, in particular designed as a force sensor.
  • a bearing with translational mobility along two guide pins 805 is implemented.
  • the difference can be measured at the end effector sensor 22b and/or calculated as a moment equilibrium around the axis of rotation based on the measured values of the end effector sensor 22b.
  • a further end effector sensor 808, for example a force measuring resistor, can be attached in particular to the piston of the syringe using a suitable connecting element 807. This measures in particular the forces applied by the user 102 to the plate 809 and thus monitors the maximum pressure applied when injecting the medication.
  • a single-axis MEMS force sensor is commercially available for around €30, suitable force measuring resistors for less than €10, and a microcontroller board for evaluating the sensor signals also for less than €10.
  • a single-axis MEMS force sensor is commercially available for around €30, suitable force measuring resistors for less than €10, and a microcontroller board for evaluating the sensor signals also for less than €10.
  • the syringe attachment with the integrated sensor can be designed as a disposable component, which makes it easier to sterilize.
  • Figure 12b shows a sectional view of another tool variant, in particular a partial tool 20, with an end effector 32b in the context of another embodiment of an ultrasound robot 100 according to the invention and/or another embodiment of a robot arm 10 according to the invention.
  • the embodiment according to Figure 12b corresponds to the embodiment from Figure 12a, whereby in Figure 12b a bearing with rotational mobility around a shoulder fitting screw 806 is implemented instead of the bearing with translational mobility along two guide pins 805 ( Figure 12a).

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

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

Description

Roboterarm, Ultraschallroboter und Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms
Die Erfindung betrifft einen Roboterarm, einen Ultraschallroboter und ein Ver- fahren zur Steuerung eines Roboterarms.
Roboterarme kommen häufig in industriellen Anwendungen, bspw. der Automo- bilfertigung oder in medizinischen Anwendungen, bspw. der roboterunterstützen Chirurgie, zum Einsatz.
Die Solltrajektorien eines Leichtbauroboters, bspw. ein Roboterarm, können grundsätzlich auf drei Arten erzeugt werden:
- Autonomie: Das System errechnet selbstständig die gewünschten Trajektorien und überwacht deren Einhaltung. Dies erfordert eine genaue Kenntnis der Um- gebung des Roboters, insbesondere entweder da diese sehr strukturiert und statisch ist, oder da der Roboter alle relevanten Informationen mit Hilfe ent- sprechender Sensoren erfassen kann. Ferner wird generell die Fähigkeit voraus- gesetzt, auf unvorhergesehene Störungen angemessen reagieren zu können.
- Teleoperation: Der menschliche Nutzer befindet sich fern des Roboterarmes und kommandiert dessen Bewegungen über ein geeignetes Eingabegerät.
- Hands-On Steuerung / physische Mensch-Roboter-Interaktion: Der menschli- che Nutzer interagiert direkt mit dem Roboterarm, um dessen Bewegungen und Verhalten zu beeinflussen.
Im medizinischen Bereich mit seiner unstrukturierten Umgebung und dem oft- mals direkten Kontakt zwischen Robotersystem und Patient bietet die physische Mensch-Roboter-Interaktion bei zahlreichen Anwendungen Vorteile. Im Gegensatz zu Systemen mit Autonomie ergeben sich folgende Vorteile: Da die sensorischen Fähigkeiten und das Fachwissen des menschlichen Nutzers in die Robotersteuerung einfließen, kann die Sensorik des robotischen Systems deutlich reduziert werden. Da der menschliche Nutzer bei Störungen oder un- vorhergesehenen Situationen jederzeit eingreifen kann, kann die Steuerungs- software des Systems erheblich vereinfacht werden.
Im Gegensatz zu Systemen mit Teleoperation ergeben sich folgende Vorteile: Der menschliche Nutzer kann zugleich mit dem Patienten und dem Robotersys- tem interagieren. Dadurch hat er jederzeit bestmögliche Informationen über das OP-Geschehen sowie die volle Kontrolle über das weitere Vorgehen, insbeson- dere bis hin zum Verzicht auf robotische Unterstützung und manuelle Weiter- führung des Eingriffes.
Nachfolgend werden Roboterarme des Stands der Technik dargestellt.
DE 32 40 251 beschreibt die Steuerung eines Roboterarmes mit Hilfe eines Ein- gabegerätes mit integriertem Kraftsensor. Hierbei erfasst das Eingabegerät die durch den Benutzer ausgeübten Kräfte und Momente. Diese werden in ein Iner- tialsystem transformiert und anschließend darauf basierend gewünschte Trans- lations- und Rotationsgeschwindigkeiten des Roboterendeffektors im Inertial- system errechnet.
DE 10 2018 114 644 B3 beschreibt einen Robotermanipulator, welcher zwischen distalem Roboterglied und Endeffektor einen Sensor zum Erfassen eines Kraft- winders aufweist, sowie einen weiteren Sensor am Bediengehäuse zum Erfassen einer Benutzerkraft bzw. eines Benutzermomentes. Anhand der Daten dieser beiden Sensoren errechnet eine Recheneinheit mit Hilfe eines Dynamikmodells des Roboters eine Sollkraft bzw. ein Sollmoment zur Verschiebung der Roboter- glieder sowie eine Sollkraft bzw. ein Sollmoment zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor. DE 10 2013 019 869 Al beschreibt modulare, manuell betätigbare Eingabemo- dule, welche wahlweise zwischen die gegeneinander beweglichen Armmodule oder am Werkzeuginterface eines Roboterarms montiert werden können. Die Benutzereingaben an diesen Modulen können verwendet werden, um die zwi- schen Eingabemodul und Roboterbasis befindlichen Achsen des Roboterarmes zu steuern und beispielsweise eine Trajektorie zu lehren.
DE 10 2015 117 213 B4 beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltung der letzten beiden Achsen eines Roboterarmes. Hierbei ist das mit der vorletzten Achse verbundene Gehäuse zylindrisch um die letzte Achse ausgebildet. Optional kann dieses Gehäuse mit einer graphischen Ausgabeeinheit ausgestattet sein. Ober- halb dieses Gehäuses befinden sich drehbar, insbesondere stetig mit Rastung oder lösbarer Klippverbindung, um die letzte Achse ein oder mehrere Eingabe- elemente. Unterhalb befindet sich das mit der letzten Achse verbundene Werk- zeuginterface, welches einen starren Fortsatz zur manuellen Bewegung sowie mindestens ein Eingabeelement aufweist. Die Zustände der Eingabeelemente sowie der mechanische Zustand des Roboterarmes, insbesondere Positionen und deren Ableitungen, Kräfte und Momente, werden genutzt, um die Steuer- anweisungen des Roboters zu erzeugen.
DE 10 2016 222 675 Al beschreibt ein Roboterbedienhandgerät, welches über eine Kopplungsvorrichtung zwischen Endeffektor und Roboterarm mit einem Ro- boterarm gekoppelt werden kann. Das Roboterbedienhandgerät besitzt einen Handgriff, mehrere Buttons sowie einen Kraftsensor, an dessen distalem Ende sich das Interface der Kopplungsvorrichtung befindet. Mit diesem Interface kann das Roboterbedienhandgerät lösbar mit der Kopplungsvorrichtung an einem Ro- boterarm verbunden werden. Ab diesem Zeitpunkt können die vom Benutzer auf den Handgriff ausgeübten Kräfte und Momente gemessen und für das ma- nuelle Führen des Roboters genutzt werden. EP 2 194 434 Bl beschreibt die Steuerung eines Industrieroboters mit Hilfe ei- nes tragbaren Programmier-Endgerätes sowie einer manuellen Führungsvor- richtung, welche mit der beweglichen Roboterstruktur oder dem Endeffektor über Schnell-Kopplungseinrichtungen gekoppelt wird. Die manuellen Führungs- vorrichtung kann drahtlos mit dem ihr zugeordneten Programmier-Endgerät kommunizieren. Das Programmier-Endgerät wiederum ist per Kabel oder kabel- los mit der Steuereinrichtung des Roboterarmes verbunden. Es ist möglich, das Programmier-Endgerät oder die Steuereinrichtung so zu konfigurieren, dass die Bewegungen des Roboters selektiv für einen oder mehrere Freiheitsgrade be- grenzt werden.
Takacs2020 (Takacs, Bence, and Tamas Haidegger. "Autonomous applied ro- botics: Ultrasound-based robot-assisted needle insertion system concept and development." 2020 IEEE 15th International Conference of System of Systems Engineering (SoSE). IEEE, 2020.) beschreibt ein System für die Veneninjektion, bestehend aus einem LBR iiwa Roboter (KUKA, Augsburg, Deutschland), einem Ultraschalltransducer und einem Werkzeug mit drei Freiheitsgraden zum Positi- onieren und Einstechen der Injektionsnadel. Die Interaktionskräfte des Werk- zeuges mit dem Patienten können über einen Kraftsensor zwischen Werkzeug und Werkzeuginterface des Roboters erfasst werden.
Im Innomedicus Artemis System (https://www.innomedicus.com/de/uro- logy/artemis/) für die Prostatabiopsie wird ein Ultraschalltransducer an einem robotischen Arm befestigt und das Ultraschallbild gegenüber präoperativen Bild- daten registriert. Parallel zur Längsachse des Ultraschalltransducers befindet sich eine Führung für die Biopsienadel, welche somit gezielt auf vorab geplante Punkte in der Prostata ausgerichtet werden kann.
Lim2019 (Lim, Sunghwan, et al. "Robotic transrectal ultrasound guided prostate biopsy." IEEE Transactions on Biomedical Engineering 66.9 (2019): 2527- 2537.) beschreibt ein weiteres robotisches System für die Prostatabiopsie, welches aber ähnliche Eigenschaften und einen ähnlichen Workflow wie das In- nomedicus Artemis System aufweist.
Das iSR'obot™ Mona Lisa System (https://biobotsurgical.com/) für die Prosta- tabiopsie bietet gegenüber dem Innomedicus Artemis System zusätzlich noch die Möglichkeit, Position und Orientierung der Biopsienadel gegenüber dem Ult- raschalltransducer aktuiert zu verändern. Auch die Translationsbewegung der Biospienadel erfolgt aktuiert.
Welleweerd2020 (Welleweerd, Marcel K., et al. "Design of an end-effector for robot-assisted ultrasound-guided breast biopsies." International journal of com- puter assisted radiology and surgery 15.4 (2020): 681-690.) beschreibt ein Sys- tem für ultraschallgeführte Brustbiopsien. Dieses ist als Endeffektor für einen Leichtbauroboter ausgeführt, welcher einen Ultraschalltransducer, eine Stereo- kamera sowie eine über drei Servomotoren aktuierte Nadelführung aufweist.
JP 5637883 B2 beschreibt eine Steuervorrichtung für einen Roboter mit einem Sensor an einem Bediengriff.
Nachteilig an Systemen und Verfahren des Stands der Technik ist, dass eine Steuerung von Roboterarmen, insbesondere wie hier dargestellt, ungenau ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Roboterarm, einen Ultraschallroboter und ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms zu schaffen, wobei die Steue- rung des Roboterarm optimiert, insbesondere präzisiert, ist.
Die Lösung der Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß durch einen Roboterarm ge- mäß Anspruch 1, einen Ultraschallroboter gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms gemäß Anspruch 13. Bei dem erfindungsgemäßen Roboterarm handelt es sich insbesondere um einen medizinischen Roboterarm. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen Hands-On-Roboterarm. Bei einem Hands-On-Roboterarm im Rahmen der vor- liegenden Erfindung handelt es sich insbesondere um einen Roboterarm, der ausgeführt ist zur direkten Interaktion eines Benutzers mit dem Roboterarm, insbesondere mit einem oder mehreren Robotergliedern, zur Beeinflussung der Bewegungen und/oder des Verhaltens des Roboterarms. Der Roboterarm weist eine Roboterstruktur mit einer Armgliedkette und einem Werkzeug auf. Die Armgliedkette weist mindestens ein Armglied und mindestens ein Gelenk auf. Bei dem mindestens einen Gelenk handelt es sich insbesondere um ein Gelenk mit einem oder zwei oder drei Freiheitsgraden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Gelenk um ein Kardangelenk oder ein Kugelgelenk. Mit der Armgliedkette ist, insbesondere distal, mindestens ein Werkzeug verbun- den. Das Werkzeug ist zur, insbesondere lösbaren oder nicht lösbaren, Verbin- dung mit mindestens einem Endeffektor ausgeführt. Der Roboterarm weist fer- ner mindestens einen Endeffektorsensor zum Erfassen von auf einen mit dem Werkzeug verbundenen Endeffektor einwirkenden Kräften und/oder Momenten auf. Vorzugsweise ist je zu verbindendem oder verbundenem Endeffektor ein Endeffektorsensor vorgesehen. Der Endeffektorsensor ist insbesondere derart angeordnet und/oder ausgeführt, dass von der Umgebung, insbesondere von einem Patienten oder einem Werkstück, auf den Endeffektor einwirkende Kräfte und/oder Momente erfasst werden. Der Roboterarm weist ferner mindestens einen Struktursensor zum Erfassen von auf die Roboterstruktur einwirkenden Kräften und/oder Momenten auf. Der Struktursensor ist insbesondere derart an- geordnet und/oder ausgeführt, dass von einem Benutzer auf die Roboterstruk- tur einwirkende Kräfte und/oder Momente erfasst werden. Bei dem Benutzer handelt es sich insbesondere um medizinisches Personal. Vorzugsweise ist die Armgliedkette proximal mit einer Befestigungsvorrichtung, bspw. einem Stand- fuß, verbunden. Bevorzugt weist der Roboterarm, insbesondere das Werkzeug, ein Eingabeinterface für Eingaben eines Benutzers auf. Das Eingabeinterface weist bspw. mindestens einen Button, einen Thumbstick, e i n Steuerkreuz und/oder einen Touchscreen auf. Bevorzugt weist der Roboterarm, insbeson- dere das Werkzeug, ein Ausgabeinterface für optische und/oder akustische Ausgaben an einen Benutzer auf. Das Ausgabeinterface weist bspw. mindes- tens eine LED, ein Display und/oder einen Lautsprecher auf.
Durch die Erfindung ist es insbesondere vorteilhaft möglich, den physischen Kontakt eines Benutzers mit dem Roboterarm, insbesondere der Armstruktur, erfassen und quantifizieren können. Die vorliegende Erfindung ermöglicht vor- teilhaft eine Erfassung von einwirkenden Kräften und/oder Momenten auf End- effektoren, insbesondere von der Umgebung, wie bspw. einem Patienten, und auf die Roboterstruktur, insbesondere von einem Benutzer. Vorzugsweise kann zwischen Kräften am, insbesondere patientenseitigen Endeffektor und Kräften am, insbesondere bedienerseitigen Werkzeug und/oder Roboter unterschieden werden, bevorzugt durch separate Messungen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber vorhandenen Systemen dar, bei denen eine reine Positions- regelung des Robotersystems erfolgt. Diese reine Positionsregelung wurde im Rahmen der Erfindung als nicht ausreichend festgestellt. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist somit mit der Erfindung insbesondere vorteilhaft umge- setzt, auch die Interaktionskräfte zwischen Robotersystem und Patient perma- nent zu überwachen, bspw. um Abweichungen vom gewünschten Ablauf früh- zeitig erkennen zu können und/oder am Roboter befestigte medizinische Endef- fektoren, z.B. Ultraschalltransducer, Biopsiezangen, Injektionsnadeln, korrekt einsetzen zu können.
Durch die Erfindung ergeben sich somit insbesondere Vorteile zu den meisten der Systeme des Stands der Technik, bspw. DE 10 2013 019 869 Al, DE 10 2015 117 213 B4, EP 2 194 434 Bl, JP 5637883 B2, bei denen keine Unter- scheidung der Interaktionskräfte zwischen Benutzer und Robotersystem sowie zwischen Robotersystem und Patient oder Werkstück möglich ist. In DE 32 40 251 ist, insbesondere im Gegensatz zur Erfindung, keine dynamische Entkopp- lung der Komponenten des Arbeitsraumes möglich. Da die Roboterstruktur in DE 32 40 251 selbst keine Sensoren, insbesondere Kraft-Momenten-Sensoren, aufweist, können Interaktionen eines Benutzers nicht erfasst werden. Gegen- über DE 10 2018 114 644 B3 ergibt sich bspw. der Vorteil, dass eine spezifische Gestaltung des Roboters insbesondere zwischen letzter Achse und Werkzeug- schnittstelle nicht erforderlich ist und somit eine Umsetzung bei geläufigen Ro- botern, insbesondere Leichtbauroboter, möglich ist. Das Telemanipulations-Sys- tem Takacs2020 ermöglich im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung keine direkte Benutzerinteraktion und somit auch keine getrennte Erfassung von In- teraktionskräften mit der Umgebung und Benutzerinteraktionskräften. Im Ge- gensatz zu Innomedicus Artemis System, Lim2019 und iSR'obot™ Mona Lisa System ermöglich die vorliegende Erfindung insbesondere vorteilhaft eine Er- fassung der Interaktion des Endeffektors mit der Umgebung sowie der Arm- struktur mit einem Benutzer. Dies gilt insbesondere auch gegenüber dem Sys- tem Welleweerd2020, das für den autonomen Betrieb ausgelegt ist.
Weitere Vorteile der Erfindung gegenüber dem, insbesondere aufgeführten, Stand der Technik sind, dass das System der vorliegenden Erfindung bei geläu- figen Roboterarmen, insbesondere Leichtbauroboterarmen, eingesetzt werden kann und/oder, dass das System für aktuierte Endeffektoren genutzt werden kann.
In bevorzugter Ausführung handelt es sich bei dem mindestens einen Endeffek- torsensor um einen Kraftsensor, einen Momentensensor oder einen Kraft-Mo- menten-Sensor. Bei dem Kraft-Momenten-Sensor handelt es sich insbesondere um einen Kraft-Momenten-Sensor mit einem Freiheitsgrad von 2 bis 6. Möglich ist andererseits insbesondere auch, dass es sich bei dem Endeffektorsensor um einen Kraftsensor mit einem Freiheitsgrad, vorzugsweise in Längsrichtung des Endeffektors handelt. In bevorzugter Ausführung handelt es sich bei dem min- destens einen Struktursensor um einen Kraftsensor, einen Momentensensor oder einen Kraft-Momenten-Sensor. Bei dem Kraft-Momenten-Sensor handelt es sich insbesondere um einen Kraft-Momenten-Sensor mit einem Freiheitsgrad von 2 bis 6. Besonders bevorzugt ist ein Kraft-Momenten-Sensor mit 6 Frei- heitsgraden, auch 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensor genannt.
In bevorzugter Ausführung weist die Armgliedkette mehrere Armglieder und/oder mehrere Gelenke auf. Insbesondere sind je zwei nebeneinander an- geordnete Armglieder durch jeweils ein Gelenk beweglich miteinander verbun- den. Die Armgliedkette weist vorzugsweise mehrere Armglieder mit jeweils da- zwischen angeordneten Gelenken auf.
In bevorzugter Ausführung ist ein Struktursensor zwischen Werkzeug und Arm- gliedkette zum Erfassen von auf das Werkzeug einwirkenden Kräften und/oder Momenten. Bei diesem Struktursensor handelt es sich bevorzugt um einen 6- DOF-Kraft-Momenten-Sensor. Bei diesem Struktursensor kann es sich insbe- sondere um den einzigen Struktursensor des erfindungsgemäßen Roboterarms handeln, andererseits kann vorzugsweise mindestens ein weiterer Struk- tursensor zum Erfassen von auf die Roboterstruktur einwirkenden Kräften und/oder Momenten vorgesehen sein.
In bevorzugter Ausführung ist für mindestens ein Armglied ein Struktursensor zum Erfassen von auf dieses Armglied einwirkenden Kräften und/oder Momen- ten vorgesehen. Bevorzugt ist für mehreren Armglieder, besonders bevorzugt für jedes Armglied, ein Struktursensor zum Erfassen von auf das jeweilige Arm- glied einwirkenden Kräften und/oder Momenten vorgesehen. Insbesondere ist dieser mindestens eine Struktursensor mit dem jeweiligen Armglied, vorzugs- weise unmittelbar, verbunden, mit Vorzugsweise handelt es sich bei diesem mindestens einen Struktursensor um einen 3-DOF-Kraft-Momenten-Sensor.
In bevorzugter Ausführung weist der Roboterarm mindestens einen mit dem Werkzeug lösbar oder nicht lösbar verbundenen Endeffektor auf. Bei dem min- destens einen Endeffektor handelt es sich insbesondere um einen Ultraschall- transducer, eine Biopsiezangen oder eine Injektionsnadel. Insbesondere sind mit dem Werkzeug mehrere Endeffektor, vorzugsweise mehrere der vorstehen- den Endeffektoren verbunden. Die mehreren Endeffektoren sind insbesondere parallel angeordnet. Der mindestens eine Endeffektor ist insbesondere beweg- lich oder unbeweglich; und/oder aktuiert oder nicht aktuiert ausgeführt.
In bevorzugter Ausführung ist zwischen dem mindestens einen Endeffektor, ins- besondere zwischen jedem Endeffektor, und dem Werkzeug ein Endeffektor- sensor zum Erfassen von auf das Werkzeug einwirkenden Kräften und/oder Mo- menten angeordnet. Bevorzugt ist dieser mindestens eine Endeffektorsensor mit dem jeweiligen Endeffektor und dem Werkzeug, vorzugsweise unmittelbar, verbunden.
In bevorzugter Ausführung weist die Roboterstruktur ein zwischen der Arm- gliedkette und dem Werkzeug angeordnetes Werkzeuginterface zur, insbeson- dere lösbaren, Verbindung des Werkzeugs mit dem Werkzeuginterface auf. Das Werkzeuginterface weist insbesondere ein Tool-Center-Point (TCP) auf. Bei dem Tool Center Point handelt es sich insbesondere um kein reales Teil, sondern ein bezogen auf das letzte Roboterglied definierter Punkt. Dieser Punkt kann bei- spielsweise auch außerhalb des Werkzeuges liegen. Dieser Punkt wird insbeson- dere verwendet, um die Bewegungen des Werkzeuges im kartesischen Raum zu beschreiben.
In bevorzugter Ausführung ist zwischen der Armgliedkette und dem Werkzeu- ginterface ein Struktursensor zum Erfassen von auf das Werkzeuginterface, so- wie somit insbesondere ebenfalls auf das Werkzeug, einwirkenden Kräften und/oder Momenten angeordnet ist. Bei diesem Struktursensor handelt es sich bevorzugt um einen 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensor. Bei diesem Struktursensor kann es sich insbesondere um den einzigen Struktursensor des erfindungsge- mäßen Roboterarms handeln, andererseits kann vorzugsweise mindestens ein weiterer Struktursensor zum Erfassen von auf die Roboterstruktur einwirkenden Kräften und/oder Momenten vorgesehen sein. In bevorzugter Ausführung weist der Roboterarm ferner eine Steuereinheit zur Steuerung des Roboterarms auf. Die Steuereinheit weist insbesondere einen Prozessor und/oder einen Regler auf. Die Steuereinheit ist vorzugsweise einge- richtete zum Empfangen und insbesondere Verarbeiten der vom Endeffektor- sensor und vom Struktursensor erfassen Kräfte und/oder Momente. Vorzugs- weise ist die Steuereinheit eingerichtete zur Bewegung der Roboterstruktur und/oder zur Aktuierung des mindestens einen Endeffektors auf Basis der vom Endeffektorsensor und vom Struktursensor empfangenen und insbesondere verarbeiteten Kräfte und/oder Momente.
In bevorzugter Ausführung weist die Roboterstruktur mindestens eine Virtual Fixture, insbesondere zur Beschränkung und/oder Dämpfung der Bewegung des Roboterarms, auf. Bevorzugt ist die die Steuereinheit eingerichtet zur Einstel- lung der mindestens einen Virtual Fixture auf Basis der vom Endeffektorsensor und vom Struktursensor empfangenen und insbesondere verarbeiteten Kräfte und/oder Momente. Bei der Virtual Fixture handelt es sich insbesondere um kein reales Teil. Sie wird insbesondere in einer Software des Roboterarms, vorzug- weise der Steuereinheit, definiert und parametriert, um das Verhalten des rea- len Roboterarmes zu beeinflussen, beispielsweise indem Bewegungen in be- stimmte Bereiche unterbunden werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallroboter handelt es sich insbesondere um einen Ultraschallroboter zur Facettengelenkinjektion. Der Ultraschallroboter weist einen Roboterarm mit einem oder mehreren Merkmalen des erfindungs- gemäßen Roboterarms auf. Ferner weist der Ultraschallroboter ein mit dem Werkzeug verbundenen Ultraschalltransducer als Endeffektor auf. Bevorzugt ist es, dass der Ultraschallroboter weitergehend eine mit dem Werkzeug verbun- denen Injektionsnadel als weiteren Endeffektor aufweist. Ultraschalltransducer und Injektionsnadel sind insbesondere parallel angeordnet. Bevorzugt ist die Injektionsnadel in der Bildebene des Ultraschalltransducers angeordnet, kann insbesondere aber darin bewegt und verkippt werden
Ein Beispiel, bei dem die Erfindung insbesondere vorteilhaft eingesetzt werden kann, ist eine roboterunterstützte Behandlung von Facettengelenksentzündun- gen unter Ultraschallbildgebung. Hierbei werden generell schmerzlindernde und entzündungshemmende Medikamente in die Facettengelenke der menschlichen Wirbelsäule injiziert, wobei ein Live-Ultraschall bild für die korrekte Positionie- rung der Nadel genutzt wird. Bisher erfolgen derartige Eingriffe generell manu- ell, was beträchtliche koordinative und kognitive Anforderungen an den durch- führenden Arzt stellt. Dieser muss zugleich den Ultraschalltransducer führen, das Ultraschallbild interpretieren und die Injektionsnadel koordinieren. Die Be- festigung des Ultraschalltransducers und der Nadelführung an einem Roboter- arm ermöglicht eine reproduzierbare, gravitationskompensierte Bewegung des Ultraschalltransducers (und falls gewünscht auch eine Begrenzung des Bewe- gungsbereiches) und stellt zugleich die korrekte Positionierung der Nadelfüh- rung bezogen auf den Ultraschalltransducer sicher. Festgestellt wurde, dass die Qualität des Ultraschallbildes stark von der adäquaten Orientierung des Trans- ducers und der Andruckkraft abhängt. Somit ist es vorteilhaft, im roboterunter- stützten Szenario das Robotersystem die Interaktionskräfte zwischen Ultra- schalltransducer und Patient messen zu können. Steuert während des Eingriffes der Arzt seinerseits das System mittels physischer Mensch-Roboter-Interaktion, kann vorteilhaft umgesetzt werden, dass die von ihm ausgeübten Kräfte und Momente die Messung der Interaktionskräfte nicht beeinträchtigen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms han- delt es sich insbesondere um ein Verfahren zur Steuerung eines medizinischen Roboterarms. Bevorzugt handelt es sich um ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms mit einem oder mehreren Merkmalen des erfindungsgemäßen Ro- boterarms oder des erfindungsgemäßen Ultraschallroboters. Das Verfahren be- trifft insbesondere die Bewegung des Roboterarms, vorzugsweise der Roboterstruktur. Das Verfahren betrifft vorzugsweise ausschließlich die Bewe- gung des Roboterarms, vorzugsweise der Roboterstruktur. Insbesondere betrifft das Verfahren nicht die Steuerung, vorzugsweise Bewegung und/oder Aktuie- rung, von Endeffektoren. Vorzugsweise betrifft das Verfahren jedoch bspw. das Erfassen von Kräfte bei einer Endeffektoraktuierung, bspw. beim Nadelvor- schub. So kann das Verfahren bevorzugt eine Kollision, bspw. mit einem Kno- chen erfassen und entsprechend reagieren. Zum Beispiel kann hierbei insbeson- dere der Vorschub reduziert oder gestoppt werden, oder ein Rückschub, vor- zugsweise um eine vordefinierte Distanz, erfolgen. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erfassens von auf mindestens einen Endeffektor des Roboterarms einwirkenden Kräften und/oder Momenten. Der Schritt des Erfassens von auf mindestens einen Endeffektor des Roboterarms einwirkenden Kräften und/oder Momenten erfolgt vorzugsweise mittels mindestens eines, vorzugsweise mit mindestens einem Endeffektor verbundenen, Endeffektorsensor. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Erfassens von auf eine Roboterstruktur des Ro- boterarms einwirkenden Kräften und/oder Momenten. Der Schritt des Erfassens von auf die Roboterstruktur des Roboterarms einwirkenden Kräften und/oder Momenten erfolgt vorzugsweise mittels mindestens eines, vorzugsweise mit der Roboterstruktur verbundenen, Struktursensors. Diese beiden Schritte des Er- fassens erfolgen vorzugsweise zumindest teilweise gleichzeitig oder nacheinan- der. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Ermittlung, ins- besondere Berechnung, von Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomen- ten des Roboterarms anhand der erfassten Kräfte und/oder Momente. Die Er- mittlung der Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomenten erfolgt insbe- sondere mittels einer Steuereinheit des Roboterarms.
In bevorzugter Ausführung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt der Aus- gabe der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente, insbesondere an eine Gesamtregelung des Roboterarms. Bei der „Ausgabe" der Interaktions- kräfte und/oder Interaktionsmomente handelt es sich insbesondere um eine Übermittlung der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente, und/oder ein bildliches Anzeigen der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente.
Das Verfahren umfasst insbesondere ferne ein Speichern der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente, bspw. zu Dokumentationszwecken. Ferner kann das Verfahren eine Weiterverwendung der erfassten Kräfte und/oder Mo- mente in der Systemregelung umfassen. Beispielweise kann eine Regelung der Roboterbewegung, z.B. der TCP des Roboters, in bestimmten kartesische Raum- richtungen basierend auf den Endeffektorkräften und/oder -momenten und/oder in anderen kartesische Raumrichtungen basierend auf den Interakti- onskräften und/oder -momenten zwischen Nutzer und Werkzeug oder Nutzer und Roboterarm erfolgen. Insbesondere ist auch eine Nutzung beider Informa- tionen möglich, wobei diese vorzugsweise entweder durch feste Gewichtungs- faktoren oder anpassbare Gewichtungsfunktionen gegeneinander gewichtet werden. Möglich ist es insbesondere auch, dass Signale vor der Weitergabe an die Regelung prozessiert werden, z.B. durch Signalfilterung oder Anpassung der Signalfrequenz an die Regelungsfrequenz via Downsampling und/oder Interpo- lation.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines er- findungsgemäßen Ultraschallroboters mit einer Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Roboterarms,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters mit einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms, Fig. 3 eine Diagrammdarstellung einer Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines robotischen Systems zur
Visualisierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms sowie zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms,
Fign. 5a-5b Netzwerkdarstellungen von Teleoperationsmodelle zur Imple- mentierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters, einer Ausführungsform eines erfindungsge- mäßen Roboterarms und/oder eines erfindungsgemäßen Verfah- rens zur Steuerung eines Roboterarms,
Fig. 6 eine Diagrammdarstellung einer Strategie zur Generierung der
Reglereingaben zur Implementierung einer Ausführungsform ei- nes erfindungsgemäßen Ultraschallroboters, einer Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Roboterarms und/oder eines er- findungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms,
Fig. 7 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Werkzeugs mit
Endeffektoren zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Aus- führungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsge- mäßen Roboterarms,
Fign. 8a-8b Darstellungen eines Werkzeugs mit einem Endeffektor zur Um- setzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Aus- führungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms, Fig. 9 Darstellung einer Kinematik zur Implementierung einer Ausfüh- rungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters, einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms,
Fig. 10 eine Darstellung einer weiteren Werkzeugvarianten zur Umset- zung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Aus- führungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms,
Fign. lla-llb Darstellungen einer weiteren Werkzeugvarianten zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsge- mäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Ausfüh- rungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms, und
Fign. 12a-12b Darstellungen einer weiteren Werkzeugvariante mit einem End- effektor im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Ultraschallroboters und/oder einer weiteren Aus- führungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms.
Ähnliche oder identische Bauteile oder Elemente werden in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bzw. Variationen davon (z.B. 24 und 24i, 24i+i) identi- fiziert. Insbesondere zur verbesserten Übersichtlichkeit werden, vorzugsweise bereits identifizierte Elemente nicht in allen Figuren mit Bezugszeichen verse- hen. Die beschriebenen Vorrichtungsmerkmale können insbesondere im Rah- men des erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder im Rahmen des erfindungsgemäßen Roboterarms 10 implementiert werden. Die beschriebenen Verfahrensmerkmale wiederum können insbesondere bei Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. Weiterhin können die beschriebenen Verfahrensmerkmale insbesondere im Rahmen des erfindungs- gemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder im Rahmen des erfindungsgemäßen Roboterarms 10 implementiert sein, wobei vorzugsweise der Ultraschallroboter 100 und/oder der Roboterarm 10, besonders bevorzugt eine Steuereinheit 23 des Ultraschallroboters 100 und/oder des Roboterarms 10, eingerichtet ist zur Ausführung mindestens eines der Verfahrensmerkmale.
Die Konzepte der Erfindung, insbesondere der Ausführungsformen, sind im Be- reich der Hardware als auch in medizinische Anwendungen anwendbar, insbe- sondere bei medizinischen Anwendungen, bei denen unter intraoperativer Bild- gebung ein rotationssymmetrisches Werkzeug roboterunterstützt positioniert werden soll, z.B. Platzieren von Knochenschrauben, Entnahme von Biopsien. Ebenso sind vorzugsweise die Verfahren, insbesondere Regelungskonzepte, auf andere Anwendungen übertragbar, bspw. bei denen synchron die Interaktions- kräfte zwischen Benutzer und Roboterarm sowie zwischen Roboterarm und Um- gebung gemessen werden sollen.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ultraschallroboter 100, insbesondere zur Facettengelenkinjektion, mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Roboterarms 10.
Der Roboterarm 10 weist eine Roboterstruktur 12 mit einer Armgliedkette 18 und einem über ein Werkzeuginterface 26 distal mit der Armgliedkette 18 ver- bundenes Werkzeug 20 auf.
Die Armgliedkette 18 weist zwei über ein Gelenk 16i+i beweglich verbundene Armglieder 14i, 14i+i auf. Das Armglied 14, ist über ein Gelenk 16i beweglich mit einem Standfuß 28 verbunden. Distal ist mit dem Armglied 14i+i ein Werkzeu- ginterface 26 verbunden. Mit dem Werkzeuginterface 26 ist, insbesondere lösbar, ein Werkzeug 20 ver- bunden. Das Werkzeuginterface 26 weist einen Struktursensor 24, auf. Der Struktursensor 24 ist insbesondere zwischen Werkzeuginterface 26 und Werk- zeug 20 und/oder zwischen Werkzeuginterface 26 und Armgliedkette 18 ange- ordnet. Der Struktursensor 24 ist zum Erfassen von Kräften und/oder Momenten eines Benutzers 102 auf das Werkzeug 20 ausgeführt und/oder angeordnet. Insbesondere handelt es sich bei dem Struktursensor 24 um einen 6-DOF-Kraft- Momenten-Sensor. Bei dem Benutzer 102 handelt es sich insbesondere um ein medizinisches Personal, das bspw. mit der Hand 106 das Werkzeug 20 bewegt und derart Kräfte und/oder Momente auf das Werkzeug 20 einbringt.
Mit dem Werkzeug 20 sind, insbesondere lösbar, dargestellt zwei Endeffektoren 32a, 32b verbunden. Bei Endeffektor 32a handelt es sich um einen Ultraschall- transducer 32a, bei Endeffektor 32b um eine Injektionsnadel 32b. Die Injekti- onsnadel 32b ist über eine, insbesondere aktuierbare und/oder verfahrbare, Na- delführung 34b mit dem Werkzeug 20 verbunden.
Zur Erfassung von Kräften und/oder Momenten von der Umgebung, insbeson- dere von Patienten 104, bspw. während einer ultraschallunterstützten Facetten- gelenkinjektion, auf die Endeffektoren 32a, 32b, sind zwei Endeffektorsensoren 22a, 22b vorgesehen. Endeffektorsensor 22a ist zum Erfassen von auf den Ult- raschalltransducer 32a einwirkenden Kräften und/oder Momenten ausgeführt und/oder angeordnet. Insbesondere ist Endeffektorsensor 22a zwischen dem Ultraschalltransducer 32a und dem Werkzeug 20 angeordnet. Endeffektorsensor 22b ist zum Erfassen von auf die Injektionsnadel 32b einwirkenden Kräften und/oder Momenten ausgeführt und/oder angeordnet. Insbesondere ist der Endeffektorsensor 22b zwischen der Injektionsnadel 32b und dem Werkzeug 20, vorzugsweise zwischen der Nadelführung 34b und dem Werkzeug 20, ange- ordnet. Bei dem Endeffektorsensor 22a und/oder Endeffektorsensor 22b handelt es sich insbesondere um einen Kraftsensor, einen Momentensensor oder einen Kraft-Momenten-Sensor mit zwei bis sechs Freiheitsgraden, besonders bevorzugt um einen 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensor. Andererseits kann es sich bei dem Endeffektorsensor 22a und/oder Endeffektorsensor 22b auch um einen Kraftsensor mit 1-DOF handeln. Bevorzugt handelt es sich bei dem Endeffektor- sensor 22b um einen 1-DOF-Kraftsensor, der insbesondere die Kraft in Längs- richtung der Injektionsnadel 32b erfasst.
Die erfassten Kräfte und/oder Momente, die auf das Werkzeug 20 von Benutzer 102 sowie auf die Endeffektoren 32a, 32b von Patient 104 einwirken werden über die Sensoren 24, 22a, 22b erfasst und können für die Steuerung des Ro- boterarms 10 genutzt werden. Insbesondere werden die erfassten Kräfte und/oder Momente an eine Steuereinheit 23 für den Roboterarm 10 übermittelt. Aus den erfassten Kräften und/oder Momenten können, vorzugsweise von der Steuereinheit 23, Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente des Robo- terarms 10 berechnet werden und diese vorzugsweise in die Gesamtregelung, insbesondere Gesamtsteuerung, des Roboterarms 10 einbezogen werden.
Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Ultra- schallroboter 100, insbesondere zur Facettengelenkinjektion, mit einer weitere erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Roboterarms 10.
In der Ausführungsform aus Figur 2 ist für jedes Armglied 14i, 14i+i ein Struk- tursensor 24i, 24i+i vorgesehen, insbesondere mit dem jeweiligen Armglied 14i, 14i+i verbunden.
Ferner ist insbesondere ein Struktursensor 24i+2 zum Erfassen von Kräften und/oder Momenten auf das Werkzeug 20 vorgesehen, insbesondere mit dem Werkzeuginterface 26 verbunden.
Über die mehreren Struktursensoren 24i, 24i+i, 24i+z ist insbesondere vorteilhaft ein Erfassen von Kräften, vorzugsweise eines Benutzers 102, auf die jeweiligen Elemente der Roboterstruktur 12 möglich. Mit dem Werkzeug 20 sind dargestellt drei Endeffektoren 32a, 32b, 32c, insbe- sondere lösbar, verbunden. Bei Endeffektor 32a handelt es sich dargestellt um einen Ultraschalltransducer 32a, der mittels zwei über Gelenk 30 beweglich ver- bundene Befestigungselemente 34al, 34a2 mit dem Werkzeug 20 verbunden ist. Ferner ist eine Injektionsnadel 32b über Nadelführung 34b und eine Biop- siezange 32c über Befestigungselement 34c als Endeffektoren 32b, 32c mit dem Werkzeug 20 verbunden. Für jeden Endeffektor 32a, 32b, 32c ist ein Endeffek- torsensor 22a, 22b, 22c zum Erfassen von Kräften und/oder Momenten auf den jeweiligen Endeffektor 32a, 32b, 32c vorgesehen, insbesondere zwischen End- effektor 32a, 32b, 32c und Werkzeug angeordnet.
Bevorzugt können folgende Verfahrensschritte umgesetzt werden und/oder der Roboterarm 10 ausgeführt sein der folgenden Verfahrensschritte: Die Interakti- onskräfte von einem Benutzer 102 und der Roboterstruktur 12 des Roboterarms 10 zwischen zwei Sensoren 24i, 24i+i lassen sich errechnen, indem unter Berück- sichtigung des Dynamikmodells des Roboterarms 10 die Messwerte zweier auf- einander folgender Sensoren 24i, 24i+i in der Roboterstruktur 12 subtrahiert wer- den. Die Interaktionskräfte von Benutzer 102 und Werkzeug 20 lassen sich un- ter Berücksichtigung des Dynamikmodells des Werkzeugs 20 als Differenz der Messwerte des Sensors des Werkzeuginterfaces 26 und der Summe der Mess- werte der Sensoren 22a, 22b, 22c an den Endeffektoren 32a, 32b, 32c errech- nen; alternativ könnte insbesondere auch ein externer Kraftsensor zwischen Werkzeuginterface 26 und Werkzeug 20 verwendet werden. Die Interaktions- kräfte zwischen Endeffektoren 32a, 32b, 32c und Umgebung können direkt an- hand der jeweiligen Endeffektorsensoren 22a, 22b, 22c erfasst, insbesondere abgelesen werden. Der Kraftsensor 26 kann insbesondere in den Roboterarm 10 integriert sein, vorzugsweise zwischen Armgliedkette 18 und Werkzeuginter- face 26 angeordnet sein, bspw. etwa wie in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Anord- nung ist es bevorzugt, dass das Gewicht und bei dynamischen Bewegungen die Massenträgheiten des Werkzeuginterfaces 26 ermittelt ist und insbesondere in die Berechnungen der Werkzeuginteraktionskräfte einfließen. Alternativ kann der Kraftsensor insbesondere zwischen Werkzeuginterface 26 und Werkzeug 20 angeordnet sein.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Figur 2 eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms beschrie- ben. Die im Rahmen des nachfolgenden Verfahrens beschriebenen Merkmale können jedoch bevorzugt auch unabhängig von der Ausführungsform der Figur 2 im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Robo- terarms und/oder im Rahmen einer Steuereinheit 23 eine erfindungsgemäßen Roboterarms 10 und/oder im Rahmen einer Steuereinheit 23 eine erfindungs- gemäßen Ultraschallroboter 100 implementiert werden. Sofern die Schritte im Rahmen einer Steuereinheit 23 implementiert werden ist es bevorzugt, dass die Steuereinheit 23, bspw. mittels Prozessors und/oder FPGAs, eingerichtete ist zur Ausführung entsprechender Verfahrensschritte.
Ein erster Schritt besteht im Erfassen von auf die Endeffektoren 32a, 32b, 32c des Roboterarms 10 einwirkenden Kräften und/oder Momenten, insbesondere mittels der entsprechenden Endeffektorsensoren 22a, 22b, 22c.
Ein zweiter Schritt besteht im Erfassen von auf die Roboterstruktur 12, insbe- sondere auf die Armglieder 14i, 14i+i und/oder das Werkzeug 20 des Roboter- arms 10 einwirkenden Kräften und/oder Momenten, insbesondere mittels der entsprechenden Struktursensor 24i, 24i+i, 24i+2.
Der erste und der zweite Schritt können insbesondere in folgender Reihenfolge ablaufen: zuerst Schritt 1, dann Schritt 2; oder zuerst Schritt 2, dann Schritt 1; oder Schritt 1 und Schritt 2 parallel; oder Schritt 1 und Schritt 2 überlappend.
Ein weiterer Schritt besteht in der Ermittlung, vorzugsweise Berechnung, von Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomenten des Roboterarms anhand der erfassten Kräfte und/oder Momente, insbesondere durch die Struktursensor 24i, 24i+i, 24i+2 und/oder die Endeffektorsensoren 22a, 22b, 22c. Die Ermittlung der Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomenten erfolgt insbesondere mittels einer Steuereinheit 23 (vgl. Fig. 1) des Roboterarms 10. Vorzugsweise werden aus den erfassten Sensordaten 6x1 Kraft-Momentenvektoren errechnet, wobei insbesondere Kräfte und Momente aufgrund von Schwerkraft und Sys- temdynamik unberücksichtigt bleiben.
Eine bevorzugtes Berechnungvorgehen des Verfahrens und/oder der Steuerein- heit des Roboterarms 10 ist:
Fuser_ArmStructure_I — Fsensor_ArmStructure_I“ Fsensor_ArmStructure_I+l“ FDyn_ArmStructure_I
Mit Füyn Armstructure i : Gewichtskraft und aus Bewegung resultierende Kräfte des Armglieds i
Fuser Tool = Fsensor TCP-S" F’sensor.EndEffectorl- FDyn_ToolStructure
Mit Füyn Toolstructure : Gewichtskraft und aus Bewegung resultierende Kräfte des Werkzeugs
Mit n: Anzahl der Endeffektoren
FEndEffectorl — Fsensor_EndEffectorI FEndEffectorll — Fsensor_EndEffectorII FEndEffectorl II — Fsensor_EndEffectorIII wobei Fuser Armstructurei i der externe Kraft- Momentenvektor auf die Roboterstruk- tur 12 zwischen Gelenk 16i und Gelenk 16i+i, insbesondere zwischen den beiden Struktursensoren 24i, 24i+i, Fsensor_Armstructurei der am Gelenk 16i, insbesondere am Struktursensoren 24i gemessene Kraft-Momentenvektor, Fuser _TOOI der ex- terne Kraft-Momentenvektor auf das Werkzeug 20, Fsensor TCP der am Struk- tursensoren 24I+2, am Werkzeuginterface 26 (TCP) des Roboterarmes gemes- sene Kraft-Momentenvektor, Fsensor _End Effecton der jeweils am Endeffektor 32a, 32b, 32c mit dem jeweiligen Endeffektorsensor 22a, 22b, 22c gemessene Kraft- Momentenvektor und FEndEffectorl der externe Kraft-Momentenvektor auf den je- weils am Endeffektor 32a, 32b, 32c ist (vgl. Abb 2). Das Bezugssystem kann dabei körperfest am Endeffektor befestigt oder ein fixes (inertiales) Welt-Koor- dinatensystem sein, wobei es allerdings bevorzugt ist, dass alle Kraft-Momen- tenvektoren im selben Bezugssystem vorliegen, oder in dieses umgerechnet werden. Die Drehmomente für die einzelnen Gelenke 16i, 16i+i, 16i+z können insbesondere aus den kartesischen Kraft-Momentenvektoren durch Multiplika- tion mit den dazugehörigen Jacobimatrizen, vorzugsweise körperfest oder iner- tial, berechnet werden. Bei den Variablen F handelt es sich insbesondere um sechsdimensionale Vektoren mit drei Kräften und drei Momenten.
Informationen bzgl. des bevorzugten Berechnungvorgehens finden sich in: Is- kandar, Maged und Eiberger, Oliver und Albu-Schäffer, Alin und De Luca, A- lessandro und Dietrich, Alexander (2021) Collision Detection, Identification, and Localization on the DLR. SARA Robot with Sensing Redundancy; In: 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2021. Insbeson- dere ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt das Berechnung- vorgehen aus dieser Quelle zu implementieren, wobei im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugt die dort beschriebene Methode implementiert wird, wie die zweite Ableitung der gemessenen Gelenkposition - also die Berechnung der Be- schleunigung - zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses vermieden werden kann.
Die errechneten 6x1 Kraft- Momentenvektoren können insbesondere zur Rege- lung des Roboterarms 10, vorzugsweise unterschiedlicher Gelenke 16i, 16i+i, 16i+2 des Roboterarms 10 genutzt werden. Beispielsweise können die Füser_Arm- Structurel zur Regelung der Nullraumbewegung herangezogen werden und die Fu- ser _TOOI zur Bewegung des Werkzeugs 20 am Werkzeuginterface 26 des Roboter- armes 10, wobei optional auf FEndEffecton basierende Virtual Fixtures 318 (vgl. Fig. 5b) die Interaktionskräfte mit der Umgebung begrenzen können.
Eine bevorzugte Regelungsarchitektur des Verfahrens und/oder der Steuerein- heit besteht in einer Regelungsarchitektur mit entkoppelten Freiheitsgraden. Hierbei kann insbesondere ein Task Space Controller TSC(x ~d vww als Teil des Verfahrens und/oder der Steuereinheit in jeder Task-Raum-Koordinate x = (%, y, z, a, ß, y)T separat konfiguriert werden. Auf diese Weise wird entweder ein kartesischer Impedanzregler /, der Positionen und Orientierungen mit der gewünschten Interaktionsdynamik (Masse-Feder-Dämpfer) steuert, oder ein Kraft-/Drehmomentregler F, der die Kräfte und Momente steuert, für alle Koor- dinaten des Aufgabenraums unabhängig aktiviert. Die Steuervorgänge in ver- schiedenen Koordinaten werden insbesondere dynamisch entkoppelt, um ein Übersprechen zwischen den Steuervorgängen in den verschiedenen Koordinaten zu vermeiden. Hierzu wird insbesondere für jeden der sechs Freiheitsgrade ein separater Regler implementiert.
Eine bevorzugte Strategie zur Generierung von Reglereingaben des Verfahrens und/oder der Steuereinheit 23 ist: Die gewünschten Eingaben x ~d = (xd, yd, zd, ad, ßd, yd)T für den Impedanzregler I oder ww~d - (ffx,d, ffy,d, ffz, d, rx,d, ry,d, rz,d)T für den Kraft-/Drehmomentenregler F werden insbesondere durch die High-Level-Software des Robotersystems bereitgestellt. Sofern diese nur diskrete Sollwerte liefert, wird insbesondere ein kartesischer Interpolator verwendet, um die gewünschten Zustände mit der Kontrollrate zu liefern. Wenn die High-Level-Software keinen geeigneten Eingang für eine Koordinate jj liefern kann, wird der Regler insbesondere auf Fjj-0 umgeschaltet, um eine Nullkraft oder ein Nullmoment für diese bestimmte Koordinate jj zu steuern. Dadurch ist der Roboter in dieser Koordinate rücktreibbar. Da keine Kräfte aufgebracht wer- den, ist die Steuerung inhärent sicher. Dies ermöglicht es dem Benutzer einzu- greifen, indem er im HandsOn-Modus die jeweilige Teilaufgabe manuell korri- giert oder beendet.
Bevorzugt ist im Verfahren implementiert und/oder die Steuereinheit 23 einge- richtet, insbesondere mittels High-Level-Software, dass an Hand des System- zustandes und der Sensordaten den aktuellen Schritt im Operationsverlauf zu identifizieren und darauf basierend die Reglereingaben anzupassen. Sofern der aktuelle Operationsschritt nicht mit hinreichender Sicherheit bestimmt werden kann, kann insbesondere entweder eine Benutzereingabe angefordert werden, oder die oben beschriebene Strategie zur Generierung der Reglereingabe ohne geeigneten Eingang tritt in Kraft. Damit hinreichend genaue Aussagen zur Si- cherheit der Bestimmung des Operationsschrittes getroffen werden können, werden insbesondere neben den Sensorwerten bevorzugt auch die dazugehöri- gen Fehlerabschätzungen gemeldet, bevorzugt an die Steuereinheit 23, beson- deres bevorzugt an die High-Level-Software.
Bevorzugt erfolgt ferner eine Kombination von Inertialskalierung, haptischer Führung mit Virtual Fixtures und Force Feedback in der Steuereinheit 23, bspw. in einem Regler der Steuereinheit 23 oder im Rahmen des Verfahrens. Bevor- zugt ist hierdurch, insbesondere mittels des vorgeschlagene Reglers nicht nur eine präzise Rückmeldung der gemessenen Kräfte an den Benutzer 102, son- dern auch eine Modifikation der Messwerte durch Inertialskalierung und Virtual Fixtures möglich.
Eine bevorzugte Strategie zur Optimierung der Rücktreibbarkeit durch Inertials- kalierung des Verfahrens und/oder der Steuereinheit 23 ist: Um die Rücksteu- erbarkeit noch weiter zu erhöhen, kann bevorzugt eine Inertialskalierung imple- mentiert sein, insbesondere können die Regler die Inertialskalierung enthalten. Diese modifiziert insbesondere die vom Benutzer 102 wahrgenommene Trägheit gemäß den Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Hierdurch kann dem Be- nutzer beispielsweise im HandsOn-Modus das Gefühl gegeben werden, der von ihm bewegte Roboterarm sei, insbesondere nahezu, masselos und/oder rei- bungsfrei. Vorzugsweise wird hierzu das das Gewicht des übrigen Werkzeuges kann kompensiert werden, sodass vorzugsweise der Benutzer hat das Gefühl hat nur den Ultraschalltransducer zu bewegen.
Bevorzugte sind im Rahmen des Verfahrens und/oder mittels der Steuereinheit 23 Virtual Fixtures implementiert: Während des manuellen Bewegens des Roboterarms 10 können insbesondere Virtual Fixtures AVlrtualFlxture^x ~d, pVF,d) aktiviert und durch pVF,d parametriert werden, insbesondere um hap- tisch Führungsprimitive und Sperrzoneneinschränkungen darzustellen, welche die kognitive Belastung des Benutzers reduzieren und die Sicherheit erhöhen können. Die aus den Virtual Fixtures resultierenden virtuellen Kräfte FV können insbesondere zu den prä prozessierten Kraft- Momentenvektoren an den Endef- fektoren FEndEffectori addiert werden, um eine virtuelle haptische Führung zu rea- lisieren.
Bevorzugte sind im Rahmen des Verfahrens und/oder mittels der Steuereinheit 23 Störungsbeobachter und/oder Sicherheitssysteme implementiert: Bevorzugt überwacht mindestens ein Störungsbeobachter PDistObs(ww ^EE), insbesondere permanent, alle F/T-Sensorinformationen des Roboterarms 10, um unbeabsich- tigte Kollisionen sowie beabsichtigte Benutzer- oder Umgebungsinteraktionen zu unterscheiden. Die Sicherheit wird insbesondere durch die Begrenzung von Kräften und Geschwindigkeiten und die Gewährleistung der Stabilität des gere- gelten Systems durch z.B. Passivitätsbeobachter garantiert.
Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 3 in einem Ablaufdiagramm dargestellt. Zunächst erfolgt ein Erfassen von Kräften und/oder Momenten der Roboterstruktur 12, insbesondere mittels mindestens einem Struktursensor 24 (Schritt 202), sowie ein Erfassen von Kräften und/oder Momenten des mindestens einen Endeffektors 32, insbesondere mittels mindes- tens einem Endeffektorsensor 22 (Schritt 204).
Bevorzugt werden erfassten Kräfte und/oder Momente vorprozessiert, indem beispielsweise Rauschen gefiltert und/oder ein statischer Offset kompensiert wird (Schritt 206). Anschließend werden insbesondere die vorprozessiert Kräfte und/oder Momente zusammen mit den Kräften und/oder Momenten, welche sich aus einem Dynamikmodell des Roboterarms 10 ergeben (Schritt 208), verwen- det, um die Interaktionskräfte und/oder -momente zu berechnen (Schritt 210). Bevorzugt werden diese anschließend in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert (Schritt 212) und vorzugsweise an die Steuerung, insbesondere Regelung, des Gesamtsystems des Roboterarms 10 ausgegeben (Schritt 214).
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eine bevorzugten robotischen Sys- tems 1000 Umsetzung in einem erfindungsgemäßen Ultraschallroboter 100 und/oder einem erfindungsgemäßen Roboterarm 10. Die Kräfte F und Massen M des robotischen Systems 1000 sind in einem Freiheitsgrad dargestellt. Das System 1000 besteht dargestellt aus Roboterstruktur 12, Werkzeug 20 und End- effektor 32. Die auf das System wirkenden externen Kraft Fh, bspw. durch einen Benutzer 102, und Kraft Fe, durch die Umgebung 105, bspw. einen Patienten 106, können mit Hilfe der jeweiligen Sensoren 22, 24, insbesondere ausgeführt als 6-DOF-Kraft-Momenten-Sensoren ermittelt werden. Fc ist die durch einen bevorzugten Kraftregler gestellte Kraft am Roboterarm 10 in diesem Freiheits- grad.
Die beiden Sensoren 22, 24 liefern als Messwerte insbesondere die Kräfte Fi und F2, wobei, vorzugsweise sofern die Kräfte und/oder Momente in Folge der Mas- sen und Massenträgheiten von Endeffektor und Werkzeug nicht berücksichtigt werden, gilt: F2 = - Fe F1 = Fh - Fe, somit sind Fe = - F2 Fh = Fi - F2.
Die Bewegungsgleichung des Gesamtsystems lautet somit insbesondere:
Mt V = Fc + Fh — Fe — DK, wobei gilt:
Mt = Mr + Mh + MP,
V ist die Geschwindigkeit des Gesamtsystems, und
D die Dämpfung des Roboters. Die Stellkraft eines Kraftreglers für die Inertialskalierung lässt sich insbesondere errechnen als Fc = K*(Fh - Fe).
Damit ergibt sich für die Bewegungsgleichung des Gesamtsystems:
Die letzte Zeile beschreibt dabei die vom Benutzer beim Bewegen des Werkzeu- ges gefühlte Kraft Fh. Insbesondere soll der Nutzer jedoch im Idealfall beim Be- wegen des am Roboter befestigten Werkzeuges das Gefühl haben, allein den Endeffektor zu bewegen und dessen Interaktionskräfte mit der Umgebung Fe zu spüren:
Indem man den Skalierungsfaktor K des Kraftreglers entsprechend anpasst, kann dieses Verhalten beinahe erreicht werden:
Die verbleibende Störgröße in Folge der Dämpfung D kann durch Einfügen eines Dämpfungstermes in Fc weiter verringert werden.
Figuren 5a und 5b zeigen Netzwerkdarstellungen von Teleoperationsmodelle zur Implementierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschall- roboters 100, einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10 und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboter- arms 10.
Das oben im Rahmen von Figur 4 beschriebene System kann insbesondere in das in Figur 5a gezeigte Teleoperationsmodell konvertiert werden. Der reale Leader weist die Roboterstruktur 12 und der virtuelle Follower den Endeffektor 32 insbesondere mit der gewünschten Dynamik auf. Der Block PCR 306 (Passive Coupling Reference) stellt sicher, dass sich das Gesamtsystem passiv verhält, also keine Energie generiert.
Die Port- Netz- Darstellung verwendet Geschwindigkeits- (V) und Kraftquellen (F). Wenn der Benutzer 102 den Roboter 12 mit einer Geschwindigkeit Vd be- wegt, wird dies insbesondere dem virtuellen Verfolger mitgeteilt werden, so dass sich der virtuelle Verfolger, insbesondere der Endeffektor 32, ebenfalls mit der gewünschten Geschwindigkeit Vd bewegt. Dies erfolgt gern. Block "V- Source" 310. Die gewünschte Geschwindigkeit Vd wird dem Ctrl-Block, Positi- onsregler 312, befohlen, sodass der Ctrl die Kraft Fc erzeugt, um den Endeffek- tor 32 so zu bewegen, dass er der Geschwindigkeit Vd folgt, indem er sie mit der Geschwindigkeit des Endeffektors Vr vergleicht.
Insbesondere für Anwendungen mit gemeinsamer Steuerung werden in Fig. 5b virtuelle Fixtures 318 implementiert, um die Bewegung des Endeffektors in be- stimmten Richtungen zu stoppen, indem eine Kraft Fv auf den Endeffektor aus- geübt wird. Der Endeffektor-Block 315 erhält eine gewichtete Summe der Kräfte von Ctrl 312 und den virtuellen Fixtures 318. Das heißt, Fs=WcFc+WvFv, wobei die Gewichte Wc und Wv über die Kontrollbefugnis der Kräfte Fc und Fv ent- scheiden, insbesondere wer mehr Kontrollwirkung auf den Endeffektor 32 hat. Bspw. wenn also Wv=0 ist, wird der Endeffektor 32 vollständig durch den Be- nutzer bewegt. Wenn bspw. Wc-0 ist, haben die virtuellen Fixtures die vollstän- dige Kontrolle über die Bewegung des Endeffektors. Die Gewichte Wc und Wv können Werte zwischen 0 und 1 annehmen, je nachdem, welche Freiheitsgrade/Bewegungsrichtungen von den beiden Controllern gesteuert werden müssen. Diese Gewichte werden vom Block 313 der gemeinsamen Steu- erung festgelegt.
Figur 5b zeigt eine Erweiterung des Teleoperationsmodells aus Figur 5a um Vir- tual Fixtures 318. Dabei werden die durch die Virtual Fixtures 318 erzeugten, insbesondere virtuellen, Kräfte als zusätzliche Kräfte auf den virtuellen Follower gegeben und über die, durch den Kraftregler 308 auf der Leader Seite erzeugte Kraft Ff an den Benutzer 102 weitergeleitet, wobei gilt: Ff = K*(Fh - Fe - Fv).
Benutzer 102 und Roboterstruktur 12 sind zusammengefasst zu Block 303, End- effektor 32 und Umgebung sind zusammengefasst zu Block 315.
Figur 6 zeigt eine Diagrammdarstellung einer Strategie zur Generierung der Reglereingaben zur Implementierung einer Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Ultraschallroboters 100, einer Ausführungsform eines erfindungsge- mäßen Roboterarms 10 und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms 10.
Um sicherzustellen, dass die Regelung immer gültige Vorgabewerte erhält, wer- den insbesondere die Sollwerte (Schritt 402) für Kräfte und/oder Momente, bspw. aus der Steuereinheit 23, insbesondere aus einer High-Level Software, des Roboterarms 10 vor der Weitergabe an die, Steuerung, insbesondere Rege- lung, nochmals überprüft (Schritt 404) und bei Bedarf modifiziert (Schritt 406). Sofern die High-Level Software für eine Koordinate j keinen gültigen Sollwert liefert, wird in dieser Koordinate eine Nullkraft kommandiert. Liefert die Steuer- einheit 23, insbesondere die High-Level Software, für eine Koordinate j nur ei- nen diskreten Wert, d.h. insbesondere mit einer Aktualisierungsrate < Kontroll- rate des robotischen Systems, so wird der Eingabewert für den Regler bei da- zwischen liegenden Zeitschriften mit Hilfe eines kartesischen Interpolators be- rechnet und entsprechend modifiziert (Schritte 410). Figur 7 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines Werkzeugs 20 mit Endeffektoren 32a, 32b zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausfüh- rungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10. Bei dem Werkzeug 20 handelt es sich insbesondere um ein Werkzeug für die ultraschall- unterstützte Facettengelenkinjektion.
Dieses Werkzeug 20 ist insbesondere modular aufgebaut, um die Verwendung unterschiedlicher Ultraschalltransducer 32a und Injektionsnadeln 32b zu unter- stützen.
Der Ultraschalltransducer 32a ist insbesondere ausgeführt zur Bereitstellung in- traoperativen Bilder, bspw. um die Spitze der Injektionsnadel 32b korrekt an den Facettengelenken der Wirbelsäule positionieren zu können. Der Ultraschall- transducer 32a ist über die formschlüssige Transducerbefestigung 34a lösbar mit einem Endeffektorsensor 22a, insbesondere ausgeführt als 6-DOF -Kraft- Momenten-Sensor verbunden, welcher die Interaktionskräfte zwischen Patient 106 und Ultraschalltransducer 32a messen kann. Die proximale Seite des Kraft- Momentensensors ist mit dem zentralen Strukturteil 52 des Werkzeugs 20 ver- bunden.
Die Positionierung und Ausrichtung der Nadelführung 34b erfolgt über einen ak- tuierten Translationsfreiheitsgrad 48 und einen aktuierten Rotationsfreiheits- grad 50. Ein weiterer aktuierter Translationsfreiheitsgrad 40 ist vorgesehen zur Bewegung der Spritze 33b der Injektionsnadel 32b entlang ihrer Längsachse, wobei ein insbesondere optionaler Endeffektorsensor 22b die Interaktionskräfte der Injektionsnadel 32b erfasst. Bevorzugt kann eine Stereokamera 42 verwen- det werden, um Bewegungen des Patienten 106 zu überwachen und eine erste Abschätzung für die Positionierung des Ultraschalltransducers 32a zu liefern. Bevorzugt dienen integrierte Buttons 46 als Eingabeinterface, sowie insbeson- dere ein Ring von RGB-LEDs 44 als Ausgabeinterface für den Benutzer 102.
Generell ist es vorteilhaft, dass sobald die das zu behandelnde Facettengelenk im Ultraschallbild klar erkennbar ist, die Führung für die Injektionsnadel 32b positioniert und ausgerichtet wird. Die Injektionsnadel 32a sollte dabei auf den Eingang zum Facettengelenk deuten, den Weg durch das Patientengewebe mög- lichst kurz halten und ausreichend nah an der Mitte des Ultraschallbildes ver- laufen, insbesondere da die Bildqualität zum Rand hin abfällt. Da die Injektions- nadel 32a in der Bildebene des Ultraschallbildes verlaufen soll, handelt es sich um ein planares Problem. Daher ist für die Orientierung der Nadelführung 34a in der Bildebene mindestens ein Rotationsfreiheitsgrad bevorzugt. Zusätzlich ist ein zweiter Freiheitsgrad vorteilhaft, um eine Repositionierung der Injektions- nadel 32b ohne Bewegung des Ultraschalltransducers 32a zu ermöglichen. Diese Repositionierung ist unter Umständen bevorzugt, wenn die Injektionsnadel 32b beim Einstechen auf Grund der Gewebebeschaffenheit von ihrer gewünschten Bahn abweicht und der geplante Injektionsort daher nicht erreicht werden kann. Eine Bewegung des Ultraschalltransducers 32a sollte dabei vermieden werden, da hierdurch zum einen die Registrierung zwischen präoperativer Planung und Ultraschallbild beeinträchtigt werden und zum anderen die Einstichstelle der In- jektionsnadel 32b mit Ultraschallgel kontaminiert werden kann.
Bevorzugt besitzt das Werkzeug 20 wie in Figur 7 dargestellt eine Befestigungs- möglichkeit 62 für eine Stereokamera 60 oder einen anderen, insbesondere ähnlichen, optischen Sensor. Dieser Sensor ist insbesondere so angebracht, dass er die dreidimensionale Hautstruktur des Patienten 106 in der Umgebung des Ultraschalltransducers 32b erfassen kann. Die erfasste 3D-Oberfläche kann insbesondere anschließend mit den Daten der präoperativen Bildgebung, bspw. typischerweise CT-Bilder, verglichen werden, um die ungefähre Position des zu behandelnden Facettengelenks zu identifizieren. Im autonomen Betrieb wird dann insbesondere basierend auf dieser Positionsschätzung, welche vorzugsweise unter anderem durch die Bewegung des Weichgewebes des Pati- enten 106 Fehler aufweisen kann, der Ultraschalltransducer 32b nahe der Wir- belsäule des Patienten positioniert. Anschließend werden insbesondere Ultra- schallbilder der Wirbelsäule in der Umgebung der geschätzten Position mit den Bilddaten aus der präoperativen Planung verglichen und registriert. Insbeson- dere sobald der Ultraschalltransducer 32b so positioniert ist, dass sein Bildaus- schnitt dem Bild aus der präoperativen Planung entspricht, kann die Nadelfüh- rung gemäß der Planung positioniert und ausgerichtet werden.
Die beschriebene ungefähre Positionierung des Ultraschalltransducers mit Hilfe der Stereokamera 42 ist einerseits autonom, also ohne Eingreifen des Benutzers 102, durchführbar. Andererseits reduziert sie insbesondere den Suchraum für die Registrierung der Ultraschallbilder und der präoperativen Bilddaten. Da diese Registrierung durch die unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten, insbeson- dere präoperativ meist CT-Bilder, intraoperativ Ultraschall-Bilder, komplex und rechenaufwändig ist, kann so das Fehlerrisiko und der Rechenaufwand reduziert werden.
Da insbesondere der Benutzer 102 direkt mit dem Werkzeug 22 interagieren soll, weist dieses bevorzugt ein hierfür geeignetes Benutzerinterface, bestehend aus Eingabeinterface 46 und/oder Ausgabeinterface 44, auf.
Das Eingabeinterface 46 sollte insbesondere die Navigation durch eine einfache Menüstruktur ermöglichen, weshalb im vorliegenden Werkzeug 20 Buttons, bspw. hoch, runter, Bestätigung/Ebenenwechsel, integriert wurden. Es können jedoch insbesondere auch andere Interfaces wie Thumbsticks, Steuerkreuze oder ein Touchscreen verwendet werden.
Das Ausgabeinterface 44 soll insbesondere dem Benutzer 102 Rückmeldung über den aktuellen Systemzustand liefern. Im vorliegenden System ist hierfür bevorzugt ein RGB-LED Ring 44 insbesondere im Bereich des Roboterinterfaces 46 vorgesehen, andere mögliche Gestaltungsformen wären beispielsweise ein- zelne Status-LEDs oder ein kleines Display.
Figur 8a zeigt eine Schnittansicht eines Werkzeugs 20, insbesondere eines Teil- Werkzeugs 20, mit einem Endeffektor 32b zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboter- arms 10. Bevorzugt handelt es sich bei dem Teil-Werkzeug 20 aus Figur 8a um eine Detailansicht auf den Ausschnitt VIII aus Figur 7.
Figur 8b zeigt eine perspektivische, seitliche Ansicht auf das Werkzeug 20 aus Figur 8a, insbesondere mit Transducer 32a, Befestigung 34a und Sensor 22a.
Der Ultraschalltransducer 32a ist über eine Transducerbefestigung 34a mit ei- nem Form- und/oder Kraftschlussverbinder bestehend auf den Elementen 35a, 35b und einer Montageplatte 35c mit der distalen Seite eines Endeffektorsensors 22a, insbesondere ausgeführt als 6-DOF- -Kraft-Momentensensors verbunden. Die proximale Seite des Endeffektorsensor 22a ist mit dem zentralen Struktur- teil 52 des Werkzeuges 20 verbunden. Das Gehäuse 21 des Werkzeugs 20 ist insbesondere derart ausgeführt, dass es die distale Sensorseite nicht berührt, um die Messung nicht zu beeinträchtigen. Insbesondere sind sowohl der über ein Scharnier 64 und eine Rändelschraube 56 fixierbare Riegel 35a als auch die Negativform 35b sind transducerspezifisch, während insbesondere die übrigen Komponenten der Transducerbefestigung 34a für verschiedene Modelle von Ult- raschalltransducern 32a verwendet werden können.
Durch den bevorzugten Einsatz einer separaten Montageplatte 35c kann bei ei- nem Wechsel des Ultraschalltransducers 32a die Transducerbefestigung 34a ausgetauscht werden, ohne dass die Verschraubung am eigentlichen Sensor ge- löst werden muss. Da Montagefehler, z.B. falsche Schraubenlänge oder zu ho- hes Drehmoment, bei dieser Verschraubung zu einer Beschädigung des Endeffektorsensor 22a führen können, wird hierdurch insbesondere das Scha- densrisiko reduziert. Die Anbringung der modellabhängige Transducerbefesti- gung 34a an der Montageplatte 34a ist bevorzugt werkzeuglos lösbar, z.B. über Klickverschlüsse, Magnete oder Rändelschrauben. Ebenso ist der Verschlussme- chanismus der Transducerbefestigung 34a bevorzugt werkzeuglos fixierbar. Wird die Transducerbefestigung 34a formschlüssig zum Ultraschalltransducer 32a ausgeführt, ist nach einer einmaligen Kalibrierung zwischen Transducerpose und Transducerbefestigung 34a ein wiederholtes Einsetzen und Entfernen des Ultraschalltransducers 32a möglich, ohne dass jedes Mal eine Kalibrierung zwi- schen Transducerpose und Transducerbefestigung 34a notwendig ist.
Um Störkräfte eines Kabels 58 des Ultraschalltransducers 32a (vgl. Fig. 7) zu vermeiden, ist es bevorzugt, dass das Kabel 58 spannungsfrei zur proximalen Seite des Endeffektorsensor 22a geführt und dort fixiert wird, bspw. mittels ei- ner Klemme 60 (vgl. Fig. 7). Da sich der Ultraschalltransducer 32a in der Trans- ducerbefestigung 34a insbesondere allenfalls minimal bewegen kann, sind die dann auftretenden Störkräfte und -momente auf Grund des Kabels 58, insbe- sondere nahezu konstant und können bei der Prozessierung der Sensorwerte leicht berücksichtigt werden.
Bevorzugt befindet sich die Transducerbefestigung 34a außerhalb des Gehäuses 21 des Werkzeuges 22. Hierdurch kann der Ultraschalltransducer 22a ange- bracht und entfernt werden, ohne das Gehäuse 21 zu öffnen. Dadurch wird eine mögliche Beschädigung oder Verschmutzung der Komponenten im Gehäusein- neren vermieden. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass sich im Bereich des End- effektorsensor 22a eine Öffnung im Gehäuse 21 befinden, um eine Beeinträch- tigung der Kraftmessung durch das Gehäuse 21 zu vermeiden. Zum Abdichten dieser Öffnung gegen Schmutz und/oder Flüssigkeiten ist bevorzugt eine Dich- tung vorzusehen, welche entweder berührungsfrei funktioniert, z.B. Labyrinth- dichtung und/oder eine möglichst geringe Steifigkeit aufweist, z.B. Silikonschaum. Hierdurch werden die vom Gehäuse auf den Endeffektorsensor 22a übertragenen Störkräfte und -momente minimiert.
Figur 9 zeigt eine Kinematik zur Implementierung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100, einer Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Roboterarms 10 und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Roboterarms 10. Die Kinematik gern. Figur 9 dient insbe- sondere zur Positionierung und Orientierung der Injaktionsnadel innerhalb der Bildebene des US-Transducers
Gezeigt ist eine geschlossene kinematische Kette mit zwei aktuierten Freiheits- graden für Positionierung und Ausrichtung der Nadelführung 34b: Die Ausrich- tung der Nadelführung 34b erfolgt insbesondere über einen translatorischen ak- tuiertenFreiheitsgrad 502 und einen rotatorischen aktuierten Freiheitsgrad 503, welche über zwei passive Gelenke 504, 505 miteinander gekoppelt sind. Der translatorische Freiheitsgrad 502 passt insbesondere die Neigung der Nadelfüh- rung 34b an, der rotatorische Freiheitsgrade 503 stellt den Abstand der Nadel- führung 34b zum Ultraschalltransducer 32a entlang einer Kreisbahn ein. Da be- vorzugt der rotatorische Freiheitsgrade 503 nur kleine Winkeländerungen durch- führt, wird die Nadelführung 34b durch ihn vorwiegend horizontal bewegt und nur minimal von der Haut des Patienten 106 abgehoben, wobei insbesondere die vertikale Bewegung bei Auslenkungen bis 10° auf Grund der trigonometri- schen Beziehungen unter 10% der horizontalen Bewegung liegt. Die Nadel 33b kann insbesondere gegenüber der Nadelführung 34b durch einen separaten translatorischen Freiheitsgrad 508 bewegt werden.
Da eine hohe Steifigkeit der Nadelführung wünschenswert ist, wurde in der Aus- führung der Figur 9 eine geschlossene kinematische Kette mit zwei angetriebe- nen Freiheitsgraden 502, 503 gewählt. Beide Freiheitsgrade 502, 503 besitzen insbesondere an einem Ende ihres Bewegungsbereiches einen Endschalter, um nach dem Einschalten des Werkzeugs 20 eine Initialisierungsfahrt zu ermöglichen. Je nach Dimensionierung der aktuierten Freiheitsgrade 502, 503 verändert sich der Bewegungsbereich der Nadelführung 34b.
Figur 10 zeigt eine Darstellung einer weiteren Werkzeugvarianten, insbesondere ein Teil-Werkzeug 20, zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10.
Ein bevorzugter Motor 601 treibt einen Zahnriemen 602 an, welcher formschlüs- sig mit Wagen 603 auf der Linearschiene 604 verbunden ist. Die Vorspannung des Zahnriemens 602 erfolgt insbesondere über eine Exzenterrolle 605. Nahe dem patientenseitigen Ende der Linearschiene 604 ist ein Zwischenelement 606 zur Befestigung der Nadelführung 34b angebracht. In der dargestellten Ausfüh- rung des Wagens 603 ist dieser mit einem Magneten 608 zur Anbringung einer Spritzen befestigung ausgestattet.
Bevorzugt soll das geplante Werkzeug 20 auch eine autonome Durchführung der Facettengelenksinjektion unterstützen. Hierfür ist es bevorzugt, dass der Translationsfreiheitsgrad für den Nadelvorschub angetrieben, bspw. mittels Mo- tor 601 gemäß Figur 10 ausgeführt wird.
An einem Ende der Schiene 604 befindet sich insbesondere ein Endschalter, um nach dem Einschalten des Werkzeugs 20 eine Initialisierungsfahrt zu ermögli- chen. Am Wagen 063 wird die Injektionsspritze 32b insbesondere so befestigt, dass die Spritzennadel 33b mit der Nadelführung 34b am patientenseitigen Ende der Profilschienenführung fluchtet.
Figur 11a zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Werkzeugvarianten, insbe- sondere eines Teil-Werkzeugs 20, zur Umsetzung im Rahmen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboterarms 10. Bevorzugt wird, insbesondere in der Ausführung gemäß Figur 10, in der Sprit- zenbefestigung eine Trennebene vorgesehen, um ein steriles Verpacken („Dra- pen") des Werkzeugs 20 während des chirurgischen Eingriffes zu ermöglichen. Sowohl die Einstichstelle der Injektionsnadel als auch ihre Umgebung muss während eines Eingriffes steril gehalten werden, ebenso wie alle damit in Be- rührung kommenden Systemkomponenten. Letzteres betrifft insbesondere die Injektionsnadel 32b und die Nadelführung 34b. Da das Werkzeug 20 und die Roboterstruktur 12 auf Grund der enthaltenen Elektronikkomponenten und ihrer komplexen Geometrie generell nicht sterilisierbar sind, ist es bevorzugt sie wäh- rend des chirurgischen Eingriffes mit einem sterilen Drape zu verpacken. Bevor- zugt darf der Ultraschalltransducer 32a entweder während des Eingriffes die Einstichstelle nicht berühren oder muss ebenfalls steril gedraped werden. Somit ist es bevorzugt, dass sich die Injektionsnadel 34a in jedem Fall außerhalb des sterilen Drapes befinden, während sich der Rest des Werkzeugs 20 innerhalb befindet.
Figur 11a zeigt eine mögliche Ausgestaltung, insbesondere basierend auf der Ausführung gemäß Figur 10, hierzu, wobei der Wagen 701 und Spritzenbefesti- gung mit Elementen 702, 703 getrennt ausgeführt sind und wobei die Teile mit- tels Magneten 704 gekoppelt werden. Zwischen den beiden Magneten 704 kann das sterile Drape unbeschädigt hindurchgeführt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung zu der Ausführung aus Figur 11a gemäß Figur 11b wird im Bereich der Spritzenbefestigung ein Zwischenelement in das sterile Drape eingefügt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Kunst- stoffrahmen handeln. Je nach Ausgestaltung können das Werkzeug 20, das Zwi- schenelement und die Spritzenbefestigung 34b über verschiedene, bevorzugt werkzeuglos fixier- und lösbare Mechanismen, bspw. Magnete, Schnappver- schlüsse oder Schrauben, verbunden werden. Insbesondere ist diese alternative Lösung zwar technisch aufwändiger aber insbesondere dann vorteilhaft, wenn an dieser Stelle auch eine elektrische Schnittstelle durch das Drape geführt wer- den soll.
Am Wagen der Linearführung 705, oder bspw. einem anderen im Inneren des Drapes befindlichen Bauteil, sind eine Platine mit mehreren Federkontaktstiften 706 sowie zwei federnde Druckstücke 707 angebracht. Beim Drapen des Sys- tems wird zunächst der in einer Öffnung des Drapes fixierte zweiteilige Kunst- stoffrahmen mit Elementen 708, 709 auf den Wagen 701 aufgeschoben bis die, bevorzugt leicht abgeschrägten, Seiten des Wagens 701 mit den, ebenfalls be- vorzugt leicht abgeschrägte, Seiten der Aussparung im Kunststoffrahmen in Kontakt kommen. Dadurch werden alle Freiheitsgrade außer der horizontalen Translation gesperrt. Durch das Einrasten der Kugeln der federnden Druckstü- cke 710 in Aussparungen des Kunststoffrahmens wird auch dieser letzte Frei- heitsgrad gesperrt. Innerhalb des zweiteiligen Kunststoffrahmens ist bereits vorab eine Platine mit Kontaktpads auf beiden Seiten 711 fixiert. Ebenso wurde in der Nut-Feder Verbindung 712 zwischen den beiden Rahmenteilen bereits vorab das sterile Drape fixiert. Nun kann die Spritzenbefestigung 713 mit der daran angebrachten Platine mit mehreren Federkontaktstiften 714 in horizonta- ler Richtung in die rechte Aussparung des Kunststoffrahmens geschoben werden bis die, bevorzugt leicht abgeschrägten, Seiten des Wagens 701 mit den, eben- falls bevorzugt leicht abgeschrägten, Seiten der Aussparung im Kunststoffrah- men in Kontakt kommen. Bei Erreichen der Zielposition rasten die Schnapper 715 in die entsprechenden Aussparungen in 719 ein und blockieren auch die horizontale Translation. Die Fortsätze 716 an den Schnappern 715 erleichtern das Lösen der Spritzenbefestigung vom Kunststoffrahmen.
Bevorzugt ist der aktuierte Mechanismus für den Nadelvorschub mit einem End- effektorsensor 22b, insbesondere ausgeführt als Kraftsensor, zur Messung der Kraft in Längsrichtung der Injektionsnadel 32b ausgestattet. Hierdurch können unerwartete Gewebebeschaffenheiten, z.B. Narbengewebe, und Kollisionen mit dem Knochen der Wirbelsäule sofort erkannt und das Aufbringen überhöhter Kräfte verhindert werden. Der beschriebene Sensor weist insbesondere mindes- tens einen Messfreiheitsgrad in Richtung der Nadelachse auf. Es können jedoch auch Sensoren mit mehr Freiheitsgrade verwendet werden, um beispielsweise seitliche Kräfte auf die Nadel in Folge von Patientenbewegungen erkennen zu können. Der Endeffektorsensor 22b kann sich entweder innerhalb oder außer- halb des Drapes befinden. Bei einer Anbringung innerhalb des Drapes ist der Endeffektorsensor 22b insbesondere nicht weiter steril verpackt, allerdings kön- nen auf das Drape wirkende Kräfte die Messung beeinträchtigen. Bei einer An- bringung außerhalb des Drapes treten derartige Störungen nicht auf, allerdings sollte der Endeffektorsensor 22b insbesondere steril sein und somit entweder wiederholt sterilisierbar oder ein preisgünstiges Wegwerfprodukt sein. Zudem sollten insbesondere in diesem Fall die Strom- und Kommunikationsleitungen des Endeffektorsensor 22b durch die sterile Barriere geführt werden.
Figur 12a zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Werkzeugvariante, insbeson- dere eines Teil-Werkzeugs 20, mit einem Endeffektor 32b im Rahmen einer wei- teren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboter- arms 10.
Dabei zeigt Figur 12a insbesondere eine preisgünstige Einmalsensorik zur Mes- sung der Nadeleinstichkräfte.
Die eine Nadel 33b aufweisende Injektionssprite 32b wird an der passenden Spritzenhalterung 34b fixiert. Diese ist gegenüber der Befestigung 803 des End- effektorsensors 22b, insbesondere ausgeführt als Kraftsensors, beweglich gela- gert.
In der Ausführung gemäß Figur 12a ist eine Lagerung mit translatorischer Be- weglichkeit entlang zweier Führungsstifte 805 umgesetzt. Sobald die Kräfte ent- lang der Nadelachse die Gewichtskraft von Spritze und Spritzenhalterung übersteigen, kann die Differenz am Endeffektorsensor 22b gemessen werden und/oder anhand der Messwerte des Endeffektorsensor 22b als Momenten- gleichgewicht um die Drehachse errechnet werden. Sollen bereits Kräfte unter- halb der Gewichtskraft von Spritze und Spritzenhalterung detektiert werden, ist es bevorzugt die Spritzenhalterung gegenüber dem Endeffektorsensor 22b vor- zuspannen, beispielsweise über ein federndes Druckstück, wobei insbesondere die Vorspannung über dem erwarteten Maximalgewicht von Spritze und Sprit- zenhalterung aber deutlich unter der messbaren Maximalkraft des Kraftsensors liegen sollte. Zusätzlich kann insbesondere auf dem Kolben der Spritze mittels eines geeigneten Verbindungselements 807 ein weiterer Endeffektorsensor 808, beispielsweise ein Kraftmesswiderstand, angebracht werden. Dieser misst ins- besondere die vom Benutzer 102 auf die Platte 809 aufgebrachten Kräfte und überwacht so den bei der Injektion der Medikamente aufgebrachten Maximal- druck. Der zentrale Vorteil des gezeigten Konzeptes liegt neben seiner prinzi- piellen Verwendbarkeit für verschiedene Injektionsanwendungen im günstigen Preis der verwendeten Komponenten: Beispielsweise ist ein Einachs-MEMS- Kraftsensor bereits für ca. 30 € kommerziell erhältlich, geeignete Kraftmesswi- derstände für unter 10 €, ein Mikrocontrollerboard zur Auswertung der Sensor- signale ebenfalls für unter 10 €. Somit kann die Spritzenbefestigung mit der integrierten Sensorik als Einmalkomponente ausgeführt werden, was ihre Ste- rilisierbarkeit vereinfacht.
Figur 12b zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Werkzeugvariante, insbeson- dere eines Teil-Werkzeugs 20, mit einem Endeffektor 32b im Rahmen einer wei- teren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallroboters 100 und/oder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboter- arms 10. Die Ausführung gemäß Figur 12b entspricht der Ausführung aus Figur 12a, wobei in Figur 12b eine Lagerung mit rotatorischer Beweglichkeit um eine Schulterpassschraube 806, anstelle der Lagerung mit translatorischer Beweg- lichkeit entlang zweier Führungsstifte 805 (Figur 12a) umgesetzt ist.

Claims

Ansprüche Roboterarm (10), insbesondere Hands-On-Roboterarm, mit
- einer Roboterstruktur (12), wobei die Roboterstruktur (12) eine mindes- tens ein Armglied (14) und mindestens ein Gelenk (16) aufweisende Arm- gliedkette (18) aufweist, und wobei die Roboterstruktur (12) ferner ein mit der Armgliedkette (18) verbundenes Werkzeug (20) zur Verbindung mit mindestens einem Endeffektor (32) aufweist;
- mindestens einem Endeffektorsensor (22) zum Erfassen von auf einen mit dem Werkzeug (20) verbundenen Endeffektor (32) einwirkenden Kräf- ten und/oder Momenten; und
- mindestens einem Struktursensor (24) zum Erfassen von auf die Robo- terstruktur (12) einwirkenden Kräften und/oder Momenten. Roboterarm (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mindestens einen Endeffektorsensor (22) und/oder dem mindes- tens einen Struktursensor (24) handelt um : einen Kraftsensor, einen Mo- mentensensor oder einen Kraft-Momenten-Sensor mit zwei bis sechs Frei- heitsgraden. Roboterarm (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Armgliedkette (18) mehrere Armglieder (14) mit jeweils dazwischen angeordneten Gelenken (16) aufweist. Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch einen Struktursensor (24) zwischen Werkzeug (20) und Armgliedkette (18) zum Erfassen von auf das Werkzeug (20) einwirkenden Kräften und/oder Momenten. Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens ein Armglied (14), insbesondere für jedes Armglied (14), ein Struktursensor (24) zum Erfassen von auf das jeweilige Armglied (14) einwirkenden Kräften und/oder Momenten vorgesehen, vorzugsweise mit dem jeweiligen Armglied (14) verbunden, ist. Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch mindestens einen mit dem Werkzeug (20) lösbar oder nicht lösbar verbun- denen Endeffektor (32). Roboterarm (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Endeffektor (32), insbesondere zwischen jedem Endeffektor (32), und dem Werkzeug (20) ein Endeffektorsensor (22) zum Erfassen von auf das Werkzeug (20) einwirkenden Kräften und/oder Mo- menten angeordnet ist. Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch ein zwischen der Armgliedkette und dem Werkzeug (20) angeordnetes Werk- zeuginterface (26) zur, insbesondere lösbaren, Verbindung des Werkzeugs (20) mit dem Werkzeuginterface (26). Roboterarm (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Armgliedkette (18) und dem Werkzeuginterface (26) ein Struk- tursensor (24) zum Erfassen von auf das Werkzeuginterface (26) ein- wirkenden Kräften und/oder Momenten angeordnet ist. Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (23) zur Steuerung des Roboterarms (10), wobei die Steuereinheit (23) eingerichtete ist zum Empfangen und insbesondere Ver- arbeiten der vom Endeffektorsensor (22) und vom Struktursensor (24) er- fassen Kräfte und/oder Momente. Roboterarm (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ro- boterstruktur mindestens eine Virtual Fixture (318), insbesondere zur Be- schränkung und/oder Dämpfung der Bewegung des Roboterarms (10), aufweist, wobei die Steuereinheit (23) eingerichtet ist zur Einstellung der mindestens einen Virtual Fixture (318) auf Basis der vom Endeffektor- sensor (22) und vom Struktursensor (24) erfassen Kräfte und/oder Mo- mente. Ultraschallroboter (100) mit einem Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 1-11, einem mit dem Werkzeug (20) verbundenen Ultraschalltransducer (32a) als Endeffektor (32), und vorzugsweise einer mit dem Werkzeug (20) verbundenen Injektionsnadel (32b) als weiterem Endeffektor (32). Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms (10), insbesondere eines Ro- boterarms (10) nach einem der Ansprüche 1-11 oder eines Ultraschallro- boters (100) nach Anspruch 12, mit den Schritten:
- Erfassen von auf einen Endeffektor (32) des Roboterarms (10) einwirken- den Kräften und/oder Momenten,
- Erfassen von auf eine Roboterstruktur (12) des Roboterarms (10) ein- wirkenden Kräften und/oder Momenten,
- Ermittlung, insbesondere Berechnung, von Interaktionskräften und/oder Interaktionsmomenten des Roboterarms (10) anhand der erfassten Kräfte und/oder Momente. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
- Ausgabe der Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente, insbe- sondere an eine Gesamtregelung des Roboterarms (10).
EP23809161.5A 2022-11-17 2023-11-16 Roboterarm, ultraschallroboter und verfahren zur steuerung eines roboterarms Pending EP4619206A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022130514.7A DE102022130514A1 (de) 2022-11-17 2022-11-17 Roboterarm, Ultraschallroboter und Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms
PCT/EP2023/082071 WO2024105171A1 (de) 2022-11-17 2023-11-16 Roboterarm, ultraschallroboter und verfahren zur steuerung eines roboterarms

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4619206A1 true EP4619206A1 (de) 2025-09-24

Family

ID=88863313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23809161.5A Pending EP4619206A1 (de) 2022-11-17 2023-11-16 Roboterarm, ultraschallroboter und verfahren zur steuerung eines roboterarms

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4619206A1 (de)
DE (1) DE102022130514A1 (de)
WO (1) WO2024105171A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102025108325A1 (de) * 2025-03-05 2026-04-02 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Roboter mit integriertem Algorithmus zur Umsetzung einer Schonhaltung; sowie Verfahren zur Steuerung des Roboters
CN120697011B (zh) * 2025-06-27 2026-01-13 沈阳工业大学 考虑传感器故障的机械臂神经网络控制方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3240251A1 (de) 1982-10-30 1984-05-03 Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., 5000 Köln Verfahren zum programmieren von bewegungen und erforderlichenfalls von bearbeitungskraeften bzw. -momenten eines roboters oder manipulators und einrichtung zu dessen durchfuehrung
JPH05297918A (ja) * 1992-04-24 1993-11-12 Fujitsu Ltd ロボット装置
DE102005054575B3 (de) * 2005-11-16 2007-04-26 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur Regelung eines Roboterarms sowie Roboter zur Durchführung des Verfahrens
EP2194434B1 (de) 2008-12-05 2012-05-30 COMAU SpA Roboter-System
DE102009018403A1 (de) * 2009-04-22 2010-10-28 Kuka Roboter Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Manipulators
JP5637883B2 (ja) 2011-02-01 2014-12-10 ファナック株式会社 力センサの出力に基づいてロボットのダイレクトティーチをおこなうロボット教示装置
DE102013019869B4 (de) 2013-11-28 2022-01-13 Abb Schweiz Ag Roboterarm mit Eingabemodul
US9403273B2 (en) * 2014-05-23 2016-08-02 GM Global Technology Operations LLC Rapid robotic imitation learning of force-torque tasks
DE102015117213B4 (de) 2015-10-08 2020-10-29 Kastanienbaum GmbH Roboterarm
DE102016222675C5 (de) 2016-11-17 2022-03-31 Kuka Deutschland Gmbh Roboterbedienhandgerät, zugehörige Kopplungsvorrichtung, Roboter und Verfahren
DE102018114644B3 (de) 2018-06-19 2019-09-19 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Manueller Anlernvorgang an einem Robotermanipulator mit Kraft-/Momentenvorgabe
US10953548B2 (en) * 2018-07-19 2021-03-23 International Business Machines Corporation Perform peg-in-hole task with unknown tilt
DE102018126873A1 (de) * 2018-10-26 2020-04-30 Franka Emika Gmbh Roboter
DE102018127905A1 (de) * 2018-11-08 2020-05-14 Franka Emika Gmbh Roboter und Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Roboters

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022130514A1 (de) 2024-05-23
WO2024105171A1 (de) 2024-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230248454A1 (en) Systems and methods for controlling a robotic manipulator or associated tool
Zemiti et al. Mechatronic design of a new robot for force control in minimally invasive surgery
Kwon et al. Microsurgical telerobot system
DE102015200428B3 (de) Verfahren zur Ausrichtung eines mehrachsigen Manipulators mit einem Eingabegerät
US7996110B2 (en) Surgical robot and robotic controller
Marayong et al. Speed-accuracy characteristics of human-machine cooperative manipulation using virtual fixtures with variable admittance
WO2004058049A2 (en) Surgical robot and robotic controller
EP4619206A1 (de) Roboterarm, ultraschallroboter und verfahren zur steuerung eines roboterarms
Barthel et al. Haptic interface for robot-assisted ophthalmic surgery
US20250367830A1 (en) Systems and methods for determining registration of robotic manipulators or associated tools and control
US12102406B2 (en) System and method for repositioning input control devices
US12558176B2 (en) Controlled resistance in backdrivable joints
Scott et al. A Low-Cost Teleoperable Surgical Robot with a Macro-Micro Structure and a Continuum Tip for Open-Source Research
US12533202B2 (en) Systems and methods for remote mentoring
Parmar et al. Haptic Feedback for Telerobotic Ultrasound Procedures: Enhancing Safety Through Force Limiting

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20250505

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)