DE102023109468A1

DE102023109468A1 - Robot system and control method for a robot system

Info

Publication number: DE102023109468A1
Application number: DE102023109468.8A
Authority: DE
Inventors: Adrian Ramos
Original assignee: B Braun New Ventures GmbH
Current assignee: B Braun New Ventures GmbH
Priority date: 2023-04-14
Filing date: 2023-04-14
Publication date: 2024-10-17
Also published as: WO2024213510A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein medizinisches Robotersystem (1) für eine angepasste Steuerung eines Endeffektors (8), insbesondere für eine Steuerung einer Visualisierungseinheit, bei einem Eingriff an einem Patienten, mit einem Roboter (2) mit einem beweglichen Roboterarm (4) und dem Endeffektor (8), der an dem Roboterarm (4) angeordnet und durch den Roboterarm (4) bewegbar ist; einer Eingabeeinheit (10), insbesondere einem Joystick mit einem Auslenkungswinkel aus einer Nullposition als Eingangssignal, zur Eingabe eines Eingangssignals an den Roboter (2) durch einen Nutzer; und einer Steuereinheit (12), die dafür angepasst ist, die Bewegung des Roboterarms (4), und damit insbesondere die Position und/oder Orientierung des Endeffektors (8), basierend auf dem Eingangssignal zu steuern. Die Steuereinheit (12) ist dafür angepasst, das Eingangssignal mittels einer nichtlinearen Steuerkurve in ein Steuersignal einer Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors (8) in eine vorgegebene Richtung umzuwandeln, um die Bewegung des Endeffektors (8) zu steuern. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner ein Steuerverfahren für ein medizinisches Robotersystem (1), ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Computerprogramm gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.

The present disclosure relates to a medical robot system (1) for an adapted control of an end effector (8), in particular for a control of a visualization unit, during an intervention on a patient, with a robot (2) with a movable robot arm (4) and the end effector (8), which is arranged on the robot arm (4) and can be moved by the robot arm (4); an input unit (10), in particular a joystick with a deflection angle from a zero position as an input signal, for input of an input signal to the robot (2) by a user; and a control unit (12) which is adapted to control the movement of the robot arm (4), and thus in particular the position and/or orientation of the end effector (8), based on the input signal. The control unit (12) is adapted to convert the input signal by means of a non-linear control curve into a control signal of a speed specification of the end effector (8) in a predetermined direction in order to control the movement of the end effector (8). The present disclosure further relates to a control method for a medical robot system (1), a computer-readable storage medium and a computer program according to the independent claims.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein medizinisches Robotersystem mit bzw. für eine angepasste Steuerung eines Endeffektors, insbesondere für eine Steuerung einer Visualisierungseinheit als Endeffektor, bei einem Eingriff oder Untersuchung an einem Patienten. Das medizinische Robotersystem hat (zumindest) einen Roboter mit einem beweglichen Roboterarm und einen Endeffektor, der an dem Roboterarm angebunden (und damit angeordnet), etwa angelenkt, und durch den Roboterarm bewegbar ist. Ferner hat das Robotersystem eine, insbesondere kraftsensitive (also abhängig von einer manuell aufgebrachten Kraft), Eingabeeinheit, insbesondere einen Joystick mit einem Auslenkungswinkel (in Reaktion auf die aufgebrachte Kraft) aus einer Nullposition bzw. Nullachse als Eingangssignal, zur Eingabe eines Eingangssignals an den Roboter durch einen Nutzer (wobei die Eingabeeinheit kontinuierliche oder diskret-kontinuierliche Eingangssignale zwischen null und einer Maximaleingabe der Eingabeeinheit liefert); und eine Steuereinheit, die dafür angepasst ist, die Bewegung des Roboterarms, und damit insbesondere die Position und/oder Orientierung des Endeffektors, basierend auf dem Eingangssignal zu steuern. Daneben betrifft die vorliegende Offenbarung ein Steuerverfahren für ein Robotersystem, ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Computerprogramm gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.The present disclosure relates to a medical robot system with or for an adapted control of an end effector, in particular for a control of a visualization unit as an end effector, during an intervention or examination on a patient. The medical robot system has (at least) one robot with a movable robot arm and an end effector that is connected to the robot arm (and thus arranged), for example articulated, and can be moved by the robot arm. Furthermore, the robot system has an input unit, in particular a force-sensitive (i.e. dependent on a manually applied force), in particular a joystick with a deflection angle (in response to the applied force) from a zero position or zero axis as an input signal, for inputting an input signal to the robot by a user (wherein the input unit provides continuous or discrete-continuous input signals between zero and a maximum input of the input unit); and a control unit that is adapted to control the movement of the robot arm, and thus in particular the position and/or orientation of the end effector, based on the input signal. In addition, the present disclosure relates to a control method for a robot system, a computer-readable storage medium and a computer program according to the preambles of the independent claims.

Technischer Hintergrund der OffenbarungTechnical Background of Revelation

Insbesondere in medizinischen Anwendungen von Robotersystemen, wie insbesondere einem Operationsroboter oder einem robotergestützten Visualisierungssystem, ist eine präzise Endeffektorführung mittels einer präzisen Robotersteuerung notwendig, da (räumliche) Ungenauigkeiten des Endeffektors sowohl den Patienten als auch den Erfolg des medizinischen Eingriffs gefährden.Particularly in medical applications of robotic systems, such as a surgical robot or a robot-assisted visualization system, precise end effector guidance by means of precise robot control is necessary, since (spatial) inaccuracies of the end effector endanger both the patient and the success of the medical procedure.

Bei bekannten Operationsrobotern oder robotergestützten Visualisierungssystemen wird ein Endeffektor, beispielsweise eine Visualisierungseinheit wie ein Operationsmikroskop, durch einen Roboterarm bewegt und räumlich angeordnet. Der Roboterarm kann beispielsweise beweglich an einer Roboterbasis angebracht sein, die ein verschiebbarer medizinischer Wagen ist, an dem der bewegliche Roboterarm angelenkt ist. Durch den Roboterarm ist die Visualisierungseinheit räumlich positionierbar oder anordbar. Der Roboterarm kann vom Nutzer durch Tasten, einen Hebel oder durch manuelles Bewegen des Endeffektors in eine gewünschte Position gesteuert werden. Zum Beispiel wird der Roboterarm durch den Auslenkwinkel des Hebels, etwa eines Joysticks, als ein Eingangssignal gesteuert. Dabei entsteht jedoch ein Zielkonflikt zwischen einem präzisen Ansteuerverhalten, was zwangsläufig mit einer langsamen (Verfahr-)Geschwindigkeit des Roboterarms und damit des Endeffektors einhergeht, und einer annehmbar schnellen Endeffektorgeschwindigkeit. Besonders, wenn der Endeffektor von einer Position in eine andere Position verfahren werden soll, kann eine zu langsame Endeffektorgeschwindigkeit für einen Nutzer unerwünscht sein. Dadurch wird eine Operationszeit verlängert und zudem erfolgt eine Ermüdung des Chirurgen.In known surgical robots or robot-assisted visualization systems, an end effector, for example a visualization unit such as a surgical microscope, is moved and spatially arranged by a robot arm. The robot arm can, for example, be movably attached to a robot base, which is a movable medical cart to which the movable robot arm is articulated. The visualization unit can be spatially positioned or arranged by the robot arm. The robot arm can be controlled by the user using buttons, a lever or by manually moving the end effector to a desired position. For example, the robot arm is controlled by the deflection angle of the lever, such as a joystick, as an input signal. However, this creates a conflict of objectives between precise control behavior, which inevitably involves a slow (travel) speed of the robot arm and thus of the end effector, and an acceptably fast end effector speed. Especially if the end effector is to be moved from one position to another, an end effector speed that is too slow can be undesirable for a user. This increases the operating time and also causes fatigue for the surgeon.

Aus der US 6 424 338 B1 ist ein Touchpad bekannt, bei dem eine Cursorsteuerung auf dem Touchpad in Abhängigkeit von einer Position eines bedienenden Fingers variiert wird. Dabei kann insbesondere die Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Cursors auf einem Bildschirm erhöht werden, wenn der Finger das Touchpad in einer Randregion des Touchpads berührt.From the US 6 424 338 B1 A touchpad is known in which a cursor control on the touchpad is varied depending on the position of an operating finger. In particular, the speed or acceleration of the cursor on a screen can be increased if the finger touches the touchpad in an edge region of the touchpad.

Die WO 2010 / 088 959 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Industrieroboters. Dabei hat der Roboter einen Modus, in dem der Roboter von einem Nutzer per Hand in verschiedene Positionen und Stellungen bewegt werden kann. Eine Steuereinheit des Roboters speichert diese manuell angesteuerten Positionen und die Verfahrwege und ermöglicht es, diese gespeicherten Positionen später automatisiert anzufahren. Durch das Verfahren der WO 2010 / 088 959 A1 ist es aber nicht möglich, bestimmte gewünschte Positionen und/oder Orientierungen des Endeffektors präzise anzusteuern.The WO 2010 / 088 959 A1 discloses a method for controlling an industrial robot. The robot has a mode in which the robot can be moved by a user by hand into different positions and positions. A control unit of the robot stores these manually controlled positions and the travel paths and enables these stored positions to be moved to automatically later. Through the method of WO 2010 / 088 959 A1 However, it is not possible to precisely control certain desired positions and/or orientations of the end effector.

Die Veröffentlichung „ Performance and Usability of Various Robotic Arm Control Modes from Human Force Signals“ - Mick et al., Frontiers in Neurorobotics, Oktober 2017, Vol. 11, Artikel 55 , beschreibt einen Zusammenhang zwischen einer Kraft als Eingangssignal und einer Prothesenbewegung als Ausgangssignal. Dabei haben Versuchsteilnehmer einen quadratischen Zusammenhang zwischen der Eingangskraft und der Prothesenbewegung als bevorzugt gegenüber einem linearen oder proportionalen Zusammenhang empfunden.The publication “ “Performance and Usability of Various Robotic Arm Control Modes from Human Force Signals” - Mick et al., Frontiers in Neurorobotics, October 2017, Vol. 11, Article 55 , describes a relationship between a force as an input signal and a prosthesis movement as an output signal. Test participants found a quadratic relationship between the input force and the prosthesis movement to be preferable to a linear or proportional relationship.

Zusammenfassung der OffenbarungSummary of Revelation

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden oder zumindest zu vermindern und insbesondere ein medizinisches Robotersystem, ein Steuerverfahren, ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Computerprogramm bereitzustellen, welches eine möglichst intuitive und präzise Steuerung des Robotersystems durch einen Nutzer ermöglicht. Insbesondere soll eine präzise Fein- und eine schnelle Grobsteuerung des Robotersystems, insbesondere des Endeffektors, ermöglicht werden.It is therefore the object of the present disclosure to overcome or at least reduce the disadvantages of the prior art and in particular to provide a medical robot system, a control method, a computer-readable storage medium and a computer program which enables the user to control the robot system as intuitively and precisely as possible. In particular, precise fine and a fast coarse control of the robot system, especially the end effector, is possible.

Diese Aufgaben der vorliegenden Offenbarung werden hinsichtlich eines medizinischen Robotersystems erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich eines medizinischen Steuerverfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst, hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermediums erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 14 und hinsichtlich eines Computerprogramms erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 15.These objects of the present disclosure are achieved with respect to a medical robot system by the features of claim 1, with respect to a medical control method by the features of claim 13, with respect to a computer-readable storage medium by the features of claim 14 and with respect to a computer program by the features of claim 15.

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein medizinisches Robotersystem für eine angepasste bzw. optimierte Steuerung eines Endeffektors, insbesondere für eine Steuerung einer (robotergestützten) Visualisierungseinheit wie einem Operationsmikroskop als Endeffektor, bei einem Eingriff an einem Patienten. Das medizinische Robotersystem weist einen Roboter mit einem beweglichen Roboterarm und einem an den Roboterarm angebundenen und durch den Roboterarm bewegbaren (räumlich in seiner Position und Orientierung einstellbaren) Endeffektor und eine Eingabeeinheit zur Eingabe eines Eingangssignals an den Roboter durch einen Nutzer auf. Die Eingabeeinheit ist dafür angepasst, auf Basis der Eingabe kontinuierliche oder diskret-kontinuierliche Eingangssignale zwischen null und einer Maximaleingabe auszugeben. Die Eingabeeinheit ist insbesondere ein Joystick mit einem Auslenkungswinkel aus einer Nullposition bzw. Nullachse als Eingangssignal. Das medizinische Robotersystem hat ferner eine Steuereinheit, die dafür angepasst ist, die Bewegung des Roboterarms, und damit insbesondere die Position und/oder Orientierung des Endeffektors, in Abhängigkeit von/basierend auf dem Eingangssignal zu steuern. Die Steuereinheit ist dafür angepasst, das Eingangssignal mittels einer (hinterlegten oder berechneten) nichtlinearen Steuerkurve in ein Steuersignal einer Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors in eine vorgegebene Richtung umzuwandeln/zu verarbeiten/umzurechnen, um die Bewegung des Endeffektors zu steuern.The present disclosure relates to a medical robot system for an adapted or optimized control of an end effector, in particular for a control of a (robot-assisted) visualization unit such as a surgical microscope as an end effector, during an operation on a patient. The medical robot system has a robot with a movable robot arm and an end effector connected to the robot arm and movable by the robot arm (spatially adjustable in its position and orientation) and an input unit for input of an input signal to the robot by a user. The input unit is adapted to output continuous or discrete-continuous input signals between zero and a maximum input based on the input. The input unit is in particular a joystick with a deflection angle from a zero position or zero axis as an input signal. The medical robot system also has a control unit that is adapted to control the movement of the robot arm, and thus in particular the position and/or orientation of the end effector, depending on/based on the input signal. The control unit is adapted to convert/process/convert the input signal by means of a (stored or calculated) non-linear control curve into a control signal of a speed specification of the end effector in a specified direction in order to control the movement of the end effector.

Die Eingabeeinheit, insbesondere der Joystick, kann vorzugsweise von dem Nutzer in verschiedene Richtungen aus einer, vorzugsweise vertikalen, Nullstellung / Ausgangsstellung / Ausgangsposition ausgelenkt werden. Der Auslenkungswinkel kann von der Steuereinheit erfasst werden. Der Auslenkungswinkel kann insbesondere in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, das eine Eingangsgröße bzw. das Eingangssignal für die Steuereinheit darstellt.The input unit, in particular the joystick, can preferably be deflected by the user in different directions from a, preferably vertical, zero position/starting position/initial position. The deflection angle can be detected by the control unit. The deflection angle can in particular be converted into an electrical signal that represents an input variable or the input signal for the control unit.

Das Steuersignal kann eine Vorgabe an den Roboter sein, bei der eine (Soll)Geschwindigkeit des Endeffektors vorgegeben wird. Diese Geschwindigkeitsvorgabe kann von der Steuereinheit ferner in eine Stellgröße für die einzelnen Aktoren des Roboterarms umgerechnet werden. Die Steuereinheit ist dafür angepasst, das Steuersignal in Abhängigkeit des Eingangssignals zu berechnen. Das Steuersignal kann insbesondere eine Menge an Steuerströmen oder Frequenzänderungen des Stroms sein, der an den (elektrischen) Aktoren des Roboters angelegt wird.The control signal can be a specification to the robot, in which a (target) speed of the end effector is specified. This speed specification can also be converted by the control unit into a control variable for the individual actuators of the robot arm. The control unit is adapted to calculate the control signal depending on the input signal. The control signal can in particular be a set of control currents or frequency changes of the current that is applied to the (electrical) actuators of the robot.

In anderen Worten ausgedrückt besteht eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem erfassten Eingangssignal der Eingabeeinheit und dem ausgegebenen Steuersignal. Die vorbestimmte Beziehung kann als die Steuerkurve in der Steuereinheit hinterlegt sein. Eine Änderung oder eine Ableitung der Steuerkurve soll nicht konstant sein, um die nichtlineare Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Steuersignal zu verwirklichen. Die vorbestimmte Beziehung kann ferner eine Formel sein, nach der die Steuereinheit das Eingangssignal in das Steuersignal umrechnet. Vorzugsweise kann die vorbestimmte Beziehung eine Verstärkung oder eine Verminderung des Eingangssignals sein. Das Steuersignal kann also berechnet werden, indem das Eingangssignal mit einem (variierenden) Faktor multipliziert wird. Dieser Faktor soll insbesondere keine Konstante sein, die eine konstante Verstärkung oder Verminderung des Eingangssignals über den Auslenkungswinkel zur Folge hätte. Der Faktor kann aber insbesondere abhängig von der Größe des Eingangssignals sein. Dadurch kann die nichtlineare Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Steuersignal verwirklicht werden.In other words, there is a predetermined relationship between the detected input signal of the input unit and the output control signal. The predetermined relationship can be stored as the control curve in the control unit. A change or a derivative of the control curve should not be constant in order to realize the non-linear relationship between the input signal and the control signal. The predetermined relationship can also be a formula according to which the control unit converts the input signal into the control signal. Preferably, the predetermined relationship can be an amplification or a reduction of the input signal. The control signal can therefore be calculated by multiplying the input signal by a (varying) factor. In particular, this factor should not be a constant that would result in a constant amplification or reduction of the input signal over the deflection angle. However, the factor can in particular be dependent on the size of the input signal. In this way, the non-linear relationship between the input signal and the control signal can be realized.

Insbesondere kann die Eingabeeinheit der Joystick mit dem Auslenkungswinkel als Eingangssignal sein. Die Steuereinheit kann den Auslenkungswinkel in die Geschwindigkeitsvorgabe an den Endeffektor umwandeln. Die Geschwindigkeitsvorgabe kann bestimmen, wie schnell der Endeffektor durch den Roboterarm verfahren/bewegt wird. Die (Verfahr-)Geschwindigkeit des Endeffektors soll dabei insbesondere nichtlinear von der Größe des Auslenkungswinkels abhängig sein.In particular, the input unit can be the joystick with the deflection angle as the input signal. The control unit can convert the deflection angle into the speed specification for the end effector. The speed specification can determine how quickly the end effector is moved by the robot arm. The (travel) speed of the end effector should in particular be non-linearly dependent on the size of the deflection angle.

Der Roboter kann insbesondere in einem kartesischen Raum gesteuert werden. Die Eingabeeinheit kann die Bewegung des Endeffektors in die translatorischen und rotatorischen Richtungen steuern.In particular, the robot can be controlled in a Cartesian space. The input unit can control the movement of the end effector in the translational and rotational directions.

Die Geschwindigkeitsvorgabe in die vorgegebene Richtung kann insbesondere eine translatorische Richtung des Endeffektors in Form eines vorgegebenen Geschwindigkeitsvektors des Endeffektors sein (v_x, v_y, v_z). Alternativ oder zusätzlich können als vorgegebene Richtung(en) auch noch rotatorische Richtung(en) angegeben werden, etwa r_x für eine Rotation um die X-Achse, r_y für eine Rotation um die y-Achse und r_z für eine Rotation um die Z-Achse im kartesischen Koordinatensystem, wobei die Geschwindigkeitsvorgaben die Rotationsgeschwindigkeiten v_rx, v_ry, v_rz darstellen können. Der Roboter wird dann durch die Steuereinheit entsprechend so gesteuert, dass das Steuersignal in die entsprechende Bewegung überführt wird. Insbesondere kann neben dem Endeffektor auch noch der Roboterarm gesteuert werden.The speed specification in the specified direction can in particular be a translational direction of the end effector in the form of a specified speed vector of the end effector (v_x, v_y, v_z). Alternatively or additionally, rotational direction(s) can also be specified as the specified direction(s). , for example r_x for a rotation around the X-axis, r_y for a rotation around the y-axis and r_z for a rotation around the Z-axis in the Cartesian coordinate system, whereby the speed specifications can represent the rotation speeds v_rx, v_ry, v_rz. The robot is then controlled by the control unit so that the control signal is converted into the corresponding movement. In particular, the robot arm can also be controlled in addition to the end effector.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Offenbarung ist also, dass das Eingangssignal, das durch die Eingabeeinheit in das Robotersystem eingegeben wird, nichtlinear, insbesondere über- oder unterproportional, mit dem Steuersignal verknüpft oder gekoppelt ist.A basic idea of the present disclosure is therefore that the input signal which is input into the robot system through the input unit is non-linearly, in particular over- or under-proportionally, linked or coupled to the control signal.

Durch die angepasste, nichtlineare Steuerkurve hat das Robotersystem ein besonders vorteilhaftes Steuerverhalten, nämlich sowohl einerseits bei einem geringen Eingangssignal als auch andererseits bei einem großen Eingangssignal der Eingabeeinheit und insbesondere bei geringen und großen Auslenkungen des Joysticks. Dabei kann insbesondere der Roboterarm und damit auch der Endeffektor bei geringen Auslenkungen präzise (an-)gesteuert werden. Gleichzeitig kann insbesondere ein schnelles Verfahren des Endeffektors bei großen Auslenkungen realisiert werden. Das heißt der Roboterarm, insbesondere der Endeffektor, kann einerseits präzise gesteuert werden, wenn es notwendig ist, und andererseits schnell verfahren werden, wenn das schnelle Verfahren vom Nutzer gewünscht wird. Insgesamt kann das Robotersystem insbesondere eine Grob- und Feinsteuerung bzw. einen Modus mit einer Feinsteuerung und einen Modus mit einer Grobsteuerung bereitstellen.Due to the adapted, non-linear control curve, the robot system has particularly advantageous control behavior, namely both with a low input signal on the one hand and with a large input signal from the input unit on the other, and in particular with small and large deflections of the joystick. In particular, the robot arm and thus also the end effector can be precisely controlled (on) with small deflections. At the same time, a rapid movement of the end effector can be achieved with large deflections. This means that the robot arm, in particular the end effector, can be precisely controlled on the one hand when necessary, and on the other hand can be moved quickly if the user wants the fast movement. Overall, the robot system can in particular provide coarse and fine control or a mode with fine control and a mode with coarse control.

Es kann ferner vorteilhaft sein, dass der Nutzer nicht manuell zwischen unterschiedlichen Modi umschalten muss, sondern dass die Steuereinheit automatisch den gewünschten Modus einstellt.It may also be advantageous that the user does not have to switch manually between different modes, but that the control unit automatically sets the desired mode.

Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird ferner durch ein Steuerverfahren für ein medizinisches Robotersystem für eine angepasste Steuerung eines Endeffektors, insbesondere für eine Steuerung einer Visualisierungseinheit, bei einem Eingriff an einem Patienten gelöst. Das Steuerverfahren weist die folgenden Schritte auf. Eine Eingabeeinheit erfasst ein Eingangssignal eines Nutzers. Das Eingangssignal ist insbesondere ein Auslenkwinkel aus einer Nullposition der Eingabeeinheit. Das erfasste Eingangssignal wird in eine Steuereinheit eingelesen. Die Steuereinheit berechnet ein Steuersignal einer Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors in eine vorgegebene Richtung aus dem Eingangssignal mittels einer (hinterlegten) nichtlinearen Steuerkurve. Die Steuereinheit steuert auf Basis des berechneten Steuersignals einen Roboter mit einem beweglichen Roboterarm und einem Endeffektor, der an dem Roboterarm angeordnet und durch den Roboterarm bewegbar ist. Durch das offenbarungsgemäße Steuerverfahren für das Robotersystem kann der Roboter und besonders der Endeffektor des Robotersystems sowohl präzise bei kleinräumigen Bewegungen gesteuert als auch schnell über größere Distanzen verfahren werden. Insbesondere wird eine intuitive Steuerung für den Nutzer bereitgestellt.The object of the present disclosure is further achieved by a control method for a medical robot system for an adapted control of an end effector, in particular for a control of a visualization unit, during an intervention on a patient. The control method has the following steps. An input unit detects an input signal from a user. The input signal is in particular a deflection angle from a zero position of the input unit. The detected input signal is read into a control unit. The control unit calculates a control signal of a speed specification of the end effector in a predetermined direction from the input signal by means of a (stored) non-linear control curve. On the basis of the calculated control signal, the control unit controls a robot with a movable robot arm and an end effector that is arranged on the robot arm and can be moved by the robot arm. By means of the control method for the robot system according to the disclosure, the robot and in particular the end effector of the robot system can be controlled precisely for small-scale movements as well as quickly moved over larger distances. In particular, intuitive control is provided for the user.

Mit noch ganz anderen Worten wird ein medizinischer, insbesondere chirurgischer, kollaborativer Roboter zur Aktuierung eines medizinischen, insbesondere chirurgischen, Endeffektors vorgeschlagen mit: einer Roboterbasis als lokalen Anbindungspunkt des Roboters; einem an die Roboterbasis angebundenen beweglichen Roboterarm mit zumindest einem Roboterarm-Segment; einem an den Roboterarm, insbesondere einer endständigen Seite des Roboterarms, angebundenen, insbesondere gelagerten, Endeffektor mit einer Endeffektorachse, insbesondere einer Visualisierungsvorrichtung, die eine Visualisierungsachse hat; und einer Steuereinheit, welche dafür angepasst ist, zumindest den Roboterarm zu steuern. Besonders hierbei ist, dass der medizinische Roboter, insbesondere an seinem Endeffektor und/oder an einem Roboterarm-Segment, zumindest ein Eingabemittel mit einer, insbesondere geraden, Nullachse aufweist, das dafür angepasst ist, zumindest eine (manuell) auf das Eingabemittel aufgebrachte Kraft quer zu der Nullachse in zumindest zwei entgegengesetzte Richtungen als Eingangssignal zu erfassen und mittels der Steuereinheit und einer nichtlinearen Steuerungskurve in ein Steuersignal einer Geschwindigkeitsvorgabe in eine vorgegebene Richtung umzuwandeln.In completely different words, a medical, in particular surgical, collaborative robot for actuating a medical, in particular surgical, end effector is proposed with: a robot base as a local connection point of the robot; a movable robot arm connected to the robot base with at least one robot arm segment; an end effector connected, in particular mounted, to the robot arm, in particular to an end side of the robot arm, with an end effector axis, in particular a visualization device that has a visualization axis; and a control unit that is adapted to control at least the robot arm. What is special here is that the medical robot, in particular on its end effector and/or on a robot arm segment, has at least one input means with a, in particular straight, zero axis, which is adapted to detect at least one force (manually) applied to the input means transverse to the zero axis in at least two opposite directions as an input signal and to convert it by means of the control unit and a non-linear control curve into a control signal of a speed specification in a predetermined direction.

Der Begriff „Nullachse“ definiert dabei eine Ache einer Nullstellung bzw. Ruhestellung des Eingabemittels, in welcher keine manuell aufgebrachte (Eingabe)Kraft auf das Eingabemittel wirkt. Insbesondere ist die Nullachse eine Art Symmetrieachse des Eingabemittels, welches zumindest eine Eingabe in zwei entgegengesetzte Richtungen quer gegenüber der Nullachse zulässt. Die Nullachse dient insbesondere einer Orientierung einer Eingabe des Eingabemittels.The term "zero axis" defines an axis of a zero position or rest position of the input device in which no manually applied (input) force acts on the input device. In particular, the zero axis is a type of symmetry axis of the input device, which allows at least one input in two opposite directions transverse to the zero axis. The zero axis is used in particular to orient an input of the input device.

Der Begriff „Endeffektor“ meint in der vorliegenden Offenbarung etwa ein Gerät, ein Instrument oder ähnliches medizinisches Mittel, was bei einem Eingriff bei einem Patienten für eine Durchführung des Eingriffs eingesetzt werden kann. Insbesondere kann als Endeffektor angesehen werden: ein Instrument, ein medizinisches Gerät wie etwa ein Endoskop oder ein Absaugschlauch, ein optisches Gerät mit einer Visualisierungsachse (Visualisierungssystem), ein Pointer/ Zeiger mit distaler Spitze für eine chirurgische Navigation und weitere.The term "end effector" in the present disclosure means a device, an instrument or similar medical means that can be used to carry out a procedure on a patient. In particular, the following can be considered as an end effector: an instrument, a medical device such as an endoscope or a suction tube, an optical device with a visualization axis (visualization system tem), a pointer with a distal tip for surgical navigation and more.

Der Begriff „Position“ meint eine geometrische Position im dreidimensionalen Raum, der insbesondere mittels Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems angegeben wird. Insbesondere kann die Position durch die drei Koordinaten X, Y und Z angegeben werden.The term “position” means a geometric position in three-dimensional space, which is specified in particular by means of coordinates of a Cartesian coordinate system. In particular, the position can be specified by the three coordinates X, Y and Z.

Der Begriff „Orientierung“ wiederum gibt eine Ausrichtung (etwa an der Position) im Raum an. Man kann auch sagen, dass durch die Orientierung eine Ausrichtung angegeben wird mit Richtungs- bzw. Drehungsangabe im dreidimensionalen Raum. Insbesondere kann die Orientierung mittels drei Winkeln angegeben werden.The term "orientation" in turn indicates an alignment (e.g. position) in space. One can also say that orientation indicates an alignment with direction or rotation in three-dimensional space. In particular, orientation can be indicated using three angles.

Der Begriff „Lage“ umfasst sowohl eine Position als auch eine Orientierung. Insbesondere kann die Lage mittels sechs Koordinaten angegeben werden, drei Positionskoordinaten X, Y und Z sowie drei Winkelkoordinaten für die Orientierung.The term "location" includes both a position and an orientation. In particular, the location can be specified using six coordinates, three position coordinates X, Y and Z and three angular coordinates for the orientation.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Offenbarung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden insbesondere nachstehend erläutert.Advantageous further developments of the present disclosure are the subject of the subclaims and are explained in particular below.

Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die nichtlineare Steuerkurve eine Funktion des Eingangssignals multipliziert mit dem Eingangssignal selbst. Beispielsweise kann die Steuerkurve y = A(x)*x sein, wobei y das Steuersignal, A(x) die Funktion von x, und x das Eingabesignal ist. Die Steuerkurve (y bzw. f(x)) kann durch eine Multiplikation des Eingangssignals (x) mit einer Verstärkung oder Verminderung (etwa A(x)) gebildet werden. Diese Verstärkung oder Verminderung ist nicht konstant, sondern kann von dem erfassten Eingangssignal abhängig sein. In anderen Worten kann die Steuereinheit in einem Zwischenschritt aus dem Eingangssignal einen Ausgabe- oder Zwischenwert berechnen. Dieser Zwischenwert kann von dem Eingangssignal abhängig bzw. eine Funktion des Eingangssignals sein. Der Zwischenwert kann beispielsweise durch eine Multiplikation des Eingangssignals mit einer Konstanten als lineare Funktion gebildet werden. Durch die Abhängigkeit des Zwischenwertes vom Eingangssignal bzw. dadurch, dass die Steuerkurve eine Funktion des Eingangssignals multipliziert mit dem Eingangssignal sein kann, wird die Nichtlinearität der Beziehung zwischen dem Steuer- und dem Eingangssignal hergestellt. Die Verstärkung oder Verminderung kann also besonders groß sein, wenn das Eingangssignal groß ist und besonders klein, wenn das Eingangssignal klein ist.According to one embodiment of the present disclosure, the non-linear control curve is a function of the input signal multiplied by the input signal itself. For example, the control curve can be y = A(x)*x, where y is the control signal, A(x) is the function of x, and x is the input signal. The control curve (y or f(x)) can be formed by multiplying the input signal (x) by a gain or reduction (such as A(x)). This gain or reduction is not constant, but can depend on the detected input signal. In other words, the control unit can calculate an output or intermediate value from the input signal in an intermediate step. This intermediate value can depend on the input signal or be a function of the input signal. The intermediate value can be formed, for example, by multiplying the input signal by a constant as a linear function. The non-linearity of the relationship between the control signal and the input signal is created by the dependence of the intermediate value on the input signal, or by the fact that the control curve can be a function of the input signal multiplied by the input signal. The amplification or reduction can therefore be particularly large when the input signal is large and particularly small when the input signal is small.

Vorzugsweise liegt in einem Graphen mit dem Eingangssignal als Abszisse und dem Steuersignal als Ordinate, die Steuerkurve in einem Bereich kleiner 20%, bevorzugt kleiner 30% und besonders bevorzugt kleiner 50%, einer Maximaleingabe der Eingabeeinheit, insbesondere einer Maximalauslenkung, unterhalb einer Ursprungsgerade mit Steigung 1 bzw. einer Winkelhalbierenden, sodass die Geschwindigkeitsvorgabe bei einem geringeren Eingangssignal kleiner als bei einer linearen Steuerung ist. Auf der Abszisse ist die Eingabe von null bis Maximaleingabe (100%) aufgetragen, während auf der Ordinate das Steuersignal in Form einer Geschwindigkeit von null bis Maximalgeschwindigkeit (100%) aufgetragen ist. Damit beginnt die Steuerkurve im Ursprung und endet in einem Punkt. Bei einem kleinen Eingangssignal, insbesondere einem geringen Auslenkungswinkel, ist nur eine geringe Bewegung bzw. langsame Geschwindigkeit des Endeffektors in die vorgegebene Richtung gewünscht. Deshalb kann der Endeffektor mit geringer Geschwindigkeit verfahren werden. Dadurch kann ein präzises Ansteuern des Endeffektors gewährleistet werden, wenn der Endeffektor nur wenig und langsam verfahren werden soll.Preferably, in a graph with the input signal as the abscissa and the control signal as the ordinate, the control curve lies in a range of less than 20%, preferably less than 30% and particularly preferably less than 50% of a maximum input of the input unit, in particular a maximum deflection, below an origin line with a slope of 1 or an angle bisector, so that the speed specification is smaller with a lower input signal than with a linear control. The input from zero to the maximum input (100%) is plotted on the abscissa, while the control signal is plotted on the ordinate in the form of a speed from zero to the maximum speed (100%). The control curve thus begins at the origin and ends at a point. With a small input signal, in particular a small deflection angle, only a small movement or slow speed of the end effector in the specified direction is desired. The end effector can therefore be moved at a low speed. This ensures precise control of the end effector if the end effector is only to be moved a little and slowly.

Nach einem weiteren optionalen Merkmal der vorliegenden Offenbarung liegt in einem Graphen mit dem Eingangssignal als Abszisse und dem Steuersignal als Ordinate die Steuerkurve in einem Bereich über 70%, insbesondere über 90%, der Maximalauslenkung oberhalb einer Ursprungsgerade mit Steigung 1 bzw. einer Winkelhalbierenden, sodass die Geschwindigkeitsvorgabe bei einem größeren Eingangssignal größer ist. Bei einem großen Eingangssignal, insbesondere einem großen Auslenkungswinkel, ist eine große Bewegung des Endeffektors gewünscht. Der Endeffektor soll dann oft über eine größere Distanz verfahren werden. Deshalb kann der Endeffektor dann mit großer Geschwindigkeit verfahren werden, damit die große gewünschte Distanz in kurzer Zeit überwunden werden kann.According to a further optional feature of the present disclosure, in a graph with the input signal as abscissa and the control signal as ordinate, the control curve lies in a range of over 70%, in particular over 90%, of the maximum deflection above an origin line with slope 1 or an angle bisector, so that the speed specification is greater with a larger input signal. With a large input signal, in particular a large deflection angle, a large movement of the end effector is desired. The end effector is then often to be moved over a larger distance. Therefore, the end effector can then be moved at high speed so that the large desired distance can be overcome in a short time.

Vorzugsweise ist eine Ableitung oder eine Änderung der Steuerkurve (gesamt) linear oder quadratisch oder zumindest abschnittsweise/streckenweise linear. Da die Ableitung der Steuerkurve (f'(x)) nicht konstant ist, ist der Zusammenhang zwischen Eingangs- und Steuersignal nichtlinear. Dadurch steigt die Verstärkung oder Verminderung des Eingangssignals über- oder unterproportional mit der Größe des Eingangssignals. Eine lineare Steuerkurve würde bedeuten, dass die Verstärkung oder Verminderung des Eingangssignals konstant über den Verlauf des Eingangssignals wäre. Das würde aber verhindern, dass die Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors abhängig von der Größe des Eingangssignals besonders groß oder klein werden kann. Durch die nichtlineare Steuerkurve können somit große Ausschläge an den Randwerten des Eingangssignals erzeugt werden.Preferably, a derivation or a change in the control curve (overall) is linear or quadratic or at least linear in sections/distances. Since the derivation of the control curve (f'(x)) is not constant, the relationship between the input and control signals is non-linear. As a result, the amplification or reduction of the input signal increases disproportionately or disproportionately with the size of the input signal. A linear control curve would mean that the amplification or reduction of the input signal would be constant over the course of the input signal. However, this would prevent the speed specification of the end effector from becoming particularly large or small depending on the size of the input signal. The non-linear control curve can This can result in large swings at the edge values of the input signal.

Insbesondere kann die Steuerkurve so gestaltet sein, dass geringe Eingabesignale (etwa unter 20% einer Maximaleingabe) in überproportional geringe Bewegungsgeschwindigkeiten (etwa unter 10% einer Maximalgeschwindigkeit) als Steuersignal umgewandelt werden, um eine präzise Führung zu gewährleisten.In particular, the control curve can be designed in such a way that low input signals (approximately less than 20% of a maximum input) are converted into disproportionately low movement speeds (approximately less than 10% of a maximum speed) as a control signal in order to ensure precise guidance.

In einer Ausführungsform weist das Robotersystem ein Touchdisplay auf und der Nutzer kann mittels des Touchdisplays eine eigene Steuerkurve zeichnen und in einer Speichereinheit hinterlegen. So kann der Nutzer eine individuell angepasste nichtlineare Steuerkurve generieren oder eine Muster-Steuerkurve anpassen.In one embodiment, the robot system has a touch display and the user can use the touch display to draw their own control curve and store it in a storage unit. This allows the user to generate an individually adapted non-linear control curve or adapt a sample control curve.

Nach einem weiteren optionalen Merkmal der vorliegenden Offenbarung sind mittels/über die Eingabeeinheit zwei unterschiedliche Eingangssignale erfassbar, etwa ein Eingangssignal in eine erste Richtung und ein Eingangssignal in eine zweite Richtung. Insbesondere kann die Eingabeeinheit als Joystick ausgebildet sein, welcher in zumindest zwei Richtungen auslenkbar ist. Dabei kann jede der Richtungen einen eigenen Auslenkungswinkel aus einer Nullposition bzw. Nullachse als Eingangssignal aufweisen. Die Steuereinheit kann dafür angepasst sein, das erste Eingangssignal mittels einer ersten nichtlinearen Steuerkurve in ein Steuersignal einer Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors in eine erste vorgegebene Richtung umzuwandeln und das zweite Eingangssignal mittels einer zweiten Steuerkurve, welche sich von der ersten Steuerkurve unterscheidet, in ein Steuersignal einer Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors in eine zweite vorgegebene Richtung umzuwandeln. Der Joystick kann beispielsweise in zwei Richtungen ausgelenkt werden, wobei eine Auslenkungsrichtung eine Endeffektorbewegung in vertikale Richtung und eine andere Auslenkungsrichtung eine Endeffektorbewegung in horizontale Richtung bewirken kann. In allen Auslenkungsrichtungen kann die Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors über die Steuerkurve aus dem Eingangssignal berechnet werden. Der Einfluss der Steuerkurve auf die unterschiedlichen Eingangssignale kann auch zwischen den unterschiedlichen Eingangssignalen variieren. Die Begriffe vertikal, horizontal, oben und unten können in Bezug auf einen Operationssaal gesehen werden. Dabei ist „oben“ etwa eine Decke und „unten“ etwa ein Boden, welche die „Vertikale“ verbindet. Ebenso erstreckt sich der Boden des Operationssaals „horizontal“.According to a further optional feature of the present disclosure, two different input signals can be detected by means of/via the input unit, for example an input signal in a first direction and an input signal in a second direction. In particular, the input unit can be designed as a joystick which can be deflected in at least two directions. Each of the directions can have its own deflection angle from a zero position or zero axis as an input signal. The control unit can be adapted to convert the first input signal into a control signal of a speed specification of the end effector in a first predetermined direction by means of a first non-linear control curve and to convert the second input signal into a control signal of a speed specification of the end effector in a second predetermined direction by means of a second control curve which differs from the first control curve. The joystick can be deflected in two directions, for example, whereby one deflection direction can cause an end effector movement in the vertical direction and another deflection direction can cause an end effector movement in the horizontal direction. In all deflection directions, the speed specification of the end effector can be calculated from the input signal via the control curve. The influence of the control curve on the different input signals can also vary between the different input signals. The terms vertical, horizontal, top and bottom can be seen in relation to an operating room. "Top" is a ceiling and "bottom" is a floor, which connects the "vertical". The floor of the operating room also extends "horizontally".

Vorzugsweise ist die Eingabeeinheit, insbesondere der Joystick, an dem Endeffektor angeordnet, insbesondere starr befestigt, und die Richtung der Auslenkung kann die Richtung der Bewegung vorgeben. Das bedeutet, die Auslenkungsrichtung des Joysticks kann die Bewegungsrichtung des Endeffektors vorgeben. Wenn der Joystick an dem Endeffektor nach unten in Schwerkraftrichtung ausgelenkt wird, kann sich der Endeffektor nach unten (in Schwerkraftrichtung) bewegen. Genauso kann eine horizontale Auslenkung des Joysticks eine horizontale Bewegung des Endeffektors bewirken. Die Geschwindigkeit des Endeffektors kann dabei über die Steuerkurve von dem Auslenkungswinkel des Joysticks abhängen. Wenn der Joystick am Endeffektor befestigt ist, dann kann der Roboter bzw. der Endeffektor insbesondere im kartesischen Raum gesteuert werden. Dadurch kann eine intuitive Bedienung oder Steuerung des Roboters durch den Nutzer bereitgestellt werden.Preferably, the input unit, in particular the joystick, is arranged on the end effector, in particular rigidly attached, and the direction of the deflection can specify the direction of movement. This means that the deflection direction of the joystick can specify the direction of movement of the end effector. If the joystick on the end effector is deflected downwards in the direction of gravity, the end effector can move downwards (in the direction of gravity). Likewise, a horizontal deflection of the joystick can cause a horizontal movement of the end effector. The speed of the end effector can depend on the deflection angle of the joystick via the control curve. If the joystick is attached to the end effector, the robot or the end effector can be controlled in particular in Cartesian space. This can provide intuitive operation or control of the robot by the user.

Nach einem weiteren optionalen Merkmal der vorliegenden Offenbarung ist die Steuereinheit dafür angepasst, zumindest zeitweise zwischen einem angepassten Modus bzw. Verstärkungsmodus, in dem die Steuerkurve auf das Eingangssignal angewendet wird, und einem Normalmodus umzuschalten, in dem keine nichtlineare Steuerkurve auf das Eingangssignal angewendet wird. In dem Normalmodus kann das Steuersignal proportional zu dem Eingangssignal sein. Das heißt, die Verstärkung oder Verminderung des Eingangssignals ist im Normalmodus nicht von dem Eingangssignal abhängig. Für manche Anwendungen kann ein konstantes oder lineares Verhältnis von Eingangs- und Steuersignal sinnvoll sein. So kann im Normalmodus beispielsweise eine Vorhersehbarkeit der effektiven Endeffektorbewegung erhöht werden. Der Nutzer kann die Steuerkurve deshalb zumindest zeitweise oder abschnittsweise variieren.According to a further optional feature of the present disclosure, the control unit is adapted to switch, at least temporarily, between an adapted mode or amplification mode in which the control curve is applied to the input signal and a normal mode in which no non-linear control curve is applied to the input signal. In the normal mode, the control signal can be proportional to the input signal. This means that the amplification or reduction of the input signal is not dependent on the input signal in the normal mode. For some applications, a constant or linear ratio of input and control signal can be useful. For example, in the normal mode, predictability of the effective end effector movement can be increased. The user can therefore vary the control curve at least temporarily or in sections.

Nach einem weiteren optionalen Merkmal der vorliegenden Offenbarung ist die Steuereinheit dafür angepasst, die Steuerkurve (zeitaktuell) während einer Bewegung des Endeffektors zu variieren oder zu verändern und damit an die aktuellen Gegebenheiten anzupassen. Das heißt, die Verstärkung oder Verminderung des Eingangssignals kann während der Endeffektorbewegung variiert werden. Dadurch kann der Grad der Verstärkung oder Verminderung verändert werden und das Steuerverhalten des Robotersystems an die individuellen Gegebenheiten oder Nutzerbedürfnisse angepasst werden. Beispielsweise kann es chirurgische Eingriffe geben, die ein sehr präzises und kleinräumiges Verfahren notwendig machen. Es kann aber auch chirurgische Eingriffe geben, bei denen ein häufiges Verfahren des Endeffektors über größere Distanzen benötigt wird. Je nach individuellem Eingriff kann der Nutzer die Steuerkurve einstellen oder variieren. Insbesondere kann der Nutzer zwischen verschiedenen in der Steuereinheit hinterlegten Modi und damit Steuerkurven wählen, um unterschiedliche Geschwindigkeitsprofile auszuwählen.According to a further optional feature of the present disclosure, the control unit is adapted to vary or change the control curve (in real time) during a movement of the end effector and thus adapt it to the current conditions. This means that the amplification or reduction of the input signal can be varied during the end effector movement. This allows the degree of amplification or reduction to be changed and the control behavior of the robot system to be adapted to the individual conditions or user needs. For example, there may be surgical interventions that require a very precise and small-scale procedure. However, there may also be surgical interventions that require frequent movement of the end effector over larger distances. Depending on the individual procedure, the user can set or vary the control curve. In particular, the user can switch between different modes stored in the control unit and thus Select control curves to select different speed profiles.

Vorzugsweise ist der Endeffektor an einem distalen Ende des bewegbaren Roboterarms angeordnet und ist insbesondere eine Visualisierungseinheit, besonders präferiert ein chirurgisches Mikroskop, ein Greifarm und/oder ein Trokar. Besonders chirurgische (Operations-)Mikroskope werden während des chirurgischen Eingriffs oft in unterschiedliche Positionen und/oder Orientierungen verfahren, um einen Blickwinkel zu optimieren. Daher kann es bei chirurgischen Mikroskopen besonders vorteilhaft sein, die Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors bei großen Eingangssignalen überproportional zu erhöhen.Preferably, the end effector is arranged at a distal end of the movable robot arm and is in particular a visualization unit, particularly preferably a surgical microscope, a gripper arm and/or a trocar. Surgical (operation) microscopes in particular are often moved into different positions and/or orientations during the surgical procedure in order to optimize a viewing angle. It can therefore be particularly advantageous for surgical microscopes to increase the speed setting of the end effector disproportionately when large input signals are present.

Der Joystick als Eingabeeinheit kann nicht nur aus der Nullposition auslenkbar sein, sondern der Joystick kann auch um seine Achse drehbar sein. Dadurch kann beispielsweise der Endeffektor rotiert und in seiner Orientierung verändert werden. Das bedeutet, der Endeffektor kann durch den Roboterarm in seiner räumlichen Position verfahren aber auch rotiert werden, um die räumliche Orientierung des Endeffektors zu verändern und den Endeffektor beispielsweise um seine (Längs-)Achse zu rotieren. Auch auf die Rotation des Endeffektors kann die Steuerkurve durch die Steuereinheit angewendet werden.The joystick as an input unit can not only be deflected from the zero position, but the joystick can also be rotated around its axis. This means that the end effector can be rotated and its orientation changed, for example. This means that the end effector can be moved in its spatial position by the robot arm, but can also be rotated in order to change the spatial orientation of the end effector and, for example, rotate the end effector around its (longitudinal) axis. The control curve can also be applied to the rotation of the end effector by the control unit.

Die Steuerkurve kann vorzugsweise auch lediglich auf einen Freiheitsgrad des Endeffektors angewendet werden. So kann beispielsweise die Steuerkurve auf das Eingangssignal einer translatorischen Bewegung für ein entsprechendes translatorisches Steuersignal angewendet werden, während die Steuerkurve nicht auf das Steuersignal der rotatorischen Bewegung angewendet wird. Die Steuerkurve kann alternativ auch auf die Bestimmung bzw. Berechnung des Steuersignals der rotatorischen Bewegung und nicht auf die Berechnung des Steuersignals der translatorischen Bewegung angewendet werden.The control curve can preferably also be applied to only one degree of freedom of the end effector. For example, the control curve can be applied to the input signal of a translatory movement for a corresponding translatory control signal, while the control curve is not applied to the control signal of the rotary movement. Alternatively, the control curve can also be applied to the determination or calculation of the control signal of the rotary movement and not to the calculation of the control signal of the translatory movement.

Nach einem weiteren optionalen Merkmal der vorliegenden Offenbarung kann die Eingabeeinheit eine 3D-Maus/Spacemouse, ein Kraft- und/oder ein Drehmomentsensor und/oder ein anderes Eingabesystem sein, das kontinuierliche oder diskrete kontinuierliche Werte liefert. Das bedeutet, dass jede Eingabeeinheit, die nicht-binäre Werte (also nicht 0 oder 1) ausgibt, für das Robotersystem geeignet sein kann. Denkbar ist schon eine Eingabeeinheit, die lediglich drei unterschiedliche Werte an die Steuereinheit ausgibt. In anderen Worten hat das Robotersystem also eine zumindest Joystick-ähnliche Eingabeeinheit (Spacemouse), die an dem Endeffektor oder einem anderen Abschnitt des Roboters befestigt ist. Ferner könnte die Eingabeeinheit auch als eine externe Eingabeeinheit, die nicht direkt mit dem Roboter verbunden ist, ausgeführt sein. Gemäß einer Ausführungsform kann also als das zumindest eine Eingabemittel eine 3D-Maus /eine (3D-)Spacemaus/ eine 3D-Spacemouse eingesetzt sein, welche neben drei Achseingaben (oben/unten, vorne/hinten, links/rechts bzw. in X-Y-Z eines kartesischen KOS) noch drei Rotationseingaben (um jeweils die drei Achsen) ermöglichen, wobei eine Achse der 3D-Maus, insbesondere eine Z-Achse, als Nullachse parallel, insbesondere koaxial, zu der Endeffektorachse und/oder der Längsachse des Roboterarm-Segments ausgerichtet ist, um den Endeffektor (wenn parallel zur Endeffektorachse) und/oder das Roboterarm-Segment (wenn parallel zur Längsachse des Roboterarmsegments) entsprechend der Eingabe translatorisch und rotatorisch (, insbesondere um einen Fokuspunkt oder eine Instrumentenspitze,) zu bewegen. Es kann also in einer Ausführungsform eine 3D-Spacemouse als Joystick zur Steuerung des Roboters verwendet werden. Ein Beispiel einer 3D-Maus ist etwa die 3Dconnexion SpaceMouse Compact (mit Z-Achse senkrecht zur Auflagefläche).According to a further optional feature of the present disclosure, the input unit can be a 3D mouse/space mouse, a force and/or a torque sensor and/or another input system that provides continuous or discrete continuous values. This means that any input unit that outputs non-binary values (i.e. not 0 or 1) can be suitable for the robot system. An input unit that outputs only three different values to the control unit is already conceivable. In other words, the robot system has an input unit (space mouse) that is at least similar to a joystick and is attached to the end effector or another section of the robot. Furthermore, the input unit could also be designed as an external input unit that is not directly connected to the robot. According to one embodiment, a 3D mouse/a (3D) space mouse/a 3D space mouse can be used as the at least one input means, which in addition to three axis inputs (top/bottom, front/back, left/right or in X-Y-Z of a Cartesian KOS) also allows three rotation inputs (around the three axes in each case), wherein one axis of the 3D mouse, in particular a Z axis, is aligned as a zero axis parallel, in particular coaxial, to the end effector axis and/or the longitudinal axis of the robot arm segment in order to move the end effector (if parallel to the end effector axis) and/or the robot arm segment (if parallel to the longitudinal axis of the robot arm segment) in a translational and rotational manner (in particular around a focal point or an instrument tip) in accordance with the input. In one embodiment, a 3D space mouse can therefore be used as a joystick to control the robot. An example of a 3D mouse is the 3Dconnexion SpaceMouse Compact (with the Z-axis perpendicular to the support surface).

Vorzugsweise ist die Eingabeeinheit an einer Roboterbasis, insbesondere an dem verschiebbaren Wagen, angeordnet. Die Roboterbasis kann insbesondere die Steuereinheit, eine Speichereinheit und eine (externe) Energieversorgung aufweisen. Die Steuereinheit kann beispielsweise ein Prozessor, eine CPU oder ein Mikroprozessor aufweisen. Die Speichereinheit kann beispielsweise als eine Festplatte oder eine SSD ausgeführt sein.Preferably, the input unit is arranged on a robot base, in particular on the movable carriage. The robot base can in particular have the control unit, a storage unit and an (external) power supply. The control unit can, for example, have a processor, a CPU or a microprocessor. The storage unit can, for example, be designed as a hard disk or an SSD.

Vorzugsweise kann über die Eingabeeinheit durch die Steuereinheit mittels der nichtlinearen Steuerkurve auch eine Vorschubgeschwindigkeit eines Werkzeugs, insbesondere am Endeffektor, des Roboters gesteuert werden. Dabei kann insbesondere die Geschwindigkeit einer linearen oder kreisförmigen Bewegung des (Roboter-)Werkzeugs durch die nichtlineare Steuerkurve gesteuert werden.Preferably, the feed rate of a tool, in particular at the end effector, of the robot can also be controlled via the input unit by the control unit using the non-linear control curve. In particular, the speed of a linear or circular movement of the (robot) tool can be controlled by the non-linear control curve.

Durch die nichtlineare Steuerkurve können auch andere Systeme, insbesondere mit Elektromotoren als Aktoren, gesteuert werden. Die nichtlineare Steuerkurve kann beispielsweise auf ein Bewegungsprofil eines elektrischen Werkzeugs angewendet werden. Insbesondere kann bei einem Werkzeugset mit unterschiedlichen Werkzeugen für jedes Werkzeug eine werkzeugspezifische nichtlineare Steuerkurve in einer Speichereinheit hinterlegt sein, welche bei Detektion des Werkzeugs oder manueller Auswahl des Werkzeugs durch einen Nutzer (über etwa Touchdisplay) entsprechend verwendet wird. Die Steuereinheit ist also insbesondere angepasst in einem Werkzeugmodus das Eingangssignal mittels der dem Werkzeug zugehörigen nichtlinearen Steuerkurve in ein entsprechendes Steuersignal, etwa eine Drehgeschwindigkeit eines rotierenden, medizinischen Werkzeugs wie einem Bohrer oder eine Schneidbewegung einer aktuierten Schere, umzuwandeln.The non-linear control curve can also be used to control other systems, in particular those with electric motors as actuators. The non-linear control curve can be applied, for example, to a movement profile of an electric tool. In particular, in a tool set with different tools, a tool-specific non-linear control curve can be stored in a memory unit for each tool, which is used accordingly when the tool is detected or manually selected by a user (via a touch display, for example). The control unit is therefore particularly adapted in a tool mode to convert the input signal into a corresponding control signal using the non-linear control curve associated with the tool. signal, such as the rotational speed of a rotating medical tool such as a drill or the cutting movement of actuated scissors.

Die Steuerkurve muss nicht zwangsläufig nur von der Eingabe, insbesondere dem Auslenkungswinkel der Eingabeeinheit abhängen. So kann die Steuerkurve bzw. eine Verstärkung oder Verminderung des Eingangssignals nicht nur eine Funktion des Eingangssignals sein, sondern auch von weiteren, externen Faktoren abhängen. So kann beispielsweise eine Steuerung oder ein Bewegungsablauf des Endeffektors einer vergangenen Operation von der Steuereinheit erfasst und gespeichert werden. Läuft die gespeicherte Steuerung bzw. der Bewegungsablauf anschließen automatisiert ab, kann die Steuereinheit die Steuerkurve von dem gespeicherten Bewegungsablauf abhängig machen. Dabei können beispielsweise bei anstehenden Bewegungen über eine große Distanz die Verstärkung des Eingangssignals vergrößert werden.The control curve does not necessarily have to depend only on the input, in particular the deflection angle of the input unit. The control curve or an increase or decrease in the input signal can not only be a function of the input signal, but can also depend on other, external factors. For example, a control or a movement sequence of the end effector from a previous operation can be recorded and stored by the control unit. If the stored control or movement sequence is then carried out automatically, the control unit can make the control curve dependent on the stored movement sequence. For example, the gain of the input signal can be increased for upcoming movements over a large distance.

In einer Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, die Steuerkurve auch auf die Bewegung der Gelenke des Roboterarms anzuwenden. Dabei können insbesondere einzelne Gelenke des Roboterarms gesteuert werden, anstatt eine Endeffektorbewegung im kartesischen Raum zu steuern.In one embodiment, the control unit can be adapted to also apply the control curve to the movement of the joints of the robot arm. In particular, individual joints of the robot arm can be controlled instead of controlling an end effector movement in Cartesian space.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, die Steuerkurve auch auf eine Nullstellenbewegung des Roboterarms anzuwenden. Dabei kann der Roboterarm ohne Bewegung des Endeffektors verfahren werden. Die Steuerkurve kann dabei insbesondere auf die einzelnen Gelenke angewendet werden. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, die Position und Orientierung (Lage) des Endeffektors beizubehalten, während der restliche Roboterarm verfahren wird, etwa um eine für den Nutzer bessere Lage einzunehmen und eine Sicht freizugeben. Die Bewegung einzelner Gelenke oder die Bewegung des Roboterarms an sich bzw. dessen Verfahr-Geschwindigkeit kann die Steuereinheit mittels der nichlinearen Steuerkurve durchführen. Insbesondere bei einer kleinen Auslenkung eines am Endeffektor angebrachten Joysticks (etwa unter 30% der Auslenkung) bleibt der Endeffektor statisch, während der Roboterarm langsam verfährt (etwa unter 10% der Geschwindigkeit), während bei einer großen Auslenkung (etwa über 70%), der Roboterarm seine Konfiguration schnell ändert und verfährt (etwa über 90% der Maximalgeschwindigkeit).According to a further embodiment, the control unit can be adapted to apply the control curve to a zero-point movement of the robot arm. The robot arm can be moved without moving the end effector. The control curve can be applied in particular to the individual joints. In other words, the control unit can be adapted to maintain the position and orientation (location) of the end effector while the rest of the robot arm is moved, for example to assume a better position for the user and to provide a view. The control unit can carry out the movement of individual joints or the movement of the robot arm itself or its travel speed using the non-linear control curve. In particular, with a small deflection of a joystick attached to the end effector (approximately less than 30% of the deflection), the end effector remains static while the robot arm moves slowly (approximately less than 10% of the speed), while with a large deflection (approximately over 70%), the robot arm changes its configuration and moves quickly (approximately over 90% of the maximum speed).

Die Steuerkurve mit der Verstärkung oder Verminderung des Eingangssignals kann vorzugsweise auch zeitabhängig sein. Dabei kann insbesondere die Verstärkung oder Verminderung größer werden, wenn der Joystick zeitlich besonders lange ausgelenkt ist. Die Verstärkung oder Verminderung kann dann klein sein, wenn der Joystick nur kurz ausgelenkt wurde. Besonders, wenn der Joystick lange einen großen Auslenkungswinkel aufweist, kann die Verstärkung oder Verminderung groß sein. Die Verstärkung oder Verminderung kann dann beispielsweise eine Funktion der Zeit und des Eingangssignals sein.The control curve with the amplification or reduction of the input signal can preferably also be time-dependent. In particular, the amplification or reduction can be greater if the joystick is deflected for a particularly long time. The amplification or reduction can be small if the joystick is only deflected for a short time. The amplification or reduction can be large, especially if the joystick has a large deflection angle for a long time. The amplification or reduction can then be a function of the time and the input signal, for example.

Insbesondere weist das Robotersystem ein Navigationssystem auf.In particular, the robot system has a navigation system.

Die Aufgaben der vorliegenden Offenbarung werden hinsichtlich des computerlesbaren Speichermediums und hinsichtlich des Computerprogramms dadurch gelöst, dass diese Befehle umfassen, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen.The objects of the present disclosure are achieved with respect to the computer-readable storage medium and with respect to the computer program in that they comprise instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the control method according to the present disclosure.

Jegliche Offenbarung im Zusammenhang mit dem Robotersystem gemäß der vorliegenden Offenbarung gilt ebenso für das Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wie auch umgekehrt.Any disclosure related to the robot system according to the present disclosure also applies to the control method according to the present disclosure and vice versa.

Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters

Die Offenbarung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen mithilfe von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Robotersystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 eine schematische Ansicht eines Graphen einer Steuerkurve mit einem Eingangssignal einer Eingabeeinheit und einem Steuersignal einer Bewegung des Endeffektors des Robotersystems aus 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
3 eine schematische Ansicht eines Graphen einer weiteren, zweiten Steuerkurve mit einem Eingangssignal einer Eingabeeinheit und einem Steuersignal einer Bewegung des Endeffektors des Robotersystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
4 ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung.

The disclosure is explained in more detail below using preferred embodiments with the aid of figures. They show:

1 a schematic perspective view of a robot system according to a preferred embodiment of the present disclosure;
2 a schematic view of a graph of a control curve with an input signal of an input unit and a control signal of a movement of the end effector of the robot system from 1 according to a preferred embodiment;
3 a schematic view of a graph of a further, second control curve with an input signal of an input unit and a control signal of a movement of the end effector of the robot system according to another embodiment of the present disclosure; and
4 a flowchart of a control method of a preferred embodiment according to the present disclosure.

Die Figuren sind schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Offenbarung dienen. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.The figures are schematic in nature and are intended only to assist in understanding the disclosure. Like elements are provided with the same reference numerals. The features of the various embodiments can be interchanged.

Detaillierte Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures

1 zeigt ein Robotersystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, welcher für eine gezielte visuelle Vergrößerung eines Eingriffsbereichs vorgesehen. 1 shows a robot system 1 according to a preferred embodiment of the present disclosure, which is intended for a targeted visual magnification of an intervention area.

Das Robotersystem 1 weist einen Roboter oder einen Führungsroboter 2 mit einem (bewegbaren) Roboterarm 4 mit mehreren Roboterarm-Segmenten auf, der an einer Roboterbasis 6 beweglich angelenkt ist. Der Roboterarm 2 hat endständig einen Endeffektor 8, hier in Form eines chirurgischen (Operations-)Mikroskop, das mit dem Roboterarm 2 beweglich verbunden und das über den Roboterarm 2 im Raum bewegbar ist. Das Robotersystem 1 hat ferner eine Eingabeeinheit 10 zur Eingabe eines Eingangssignals an den Roboter 2 durch einen Nutzer. Die Eingabeeinheit 10 ist in dieser Ausführungsform eine 3D-Maus (also eine Art Joystick mit zudem Rotationseingaben), die in drei verschiedene Richtungen aus einer Nullposition bzw. gegenüber einer Nullachse ausgelenkt werden kann. Ein Auslenkungswinkel des Joysticks aus der Nullposition in jeweils die einzelnen Richtungen ist dabei das Eingangssignal der Eingabeeinheit 10. Die Eingabeeinheit 10 in Form der 3D-Maus ist an dem Endeffektor 8 angebracht. Der Endeffektor 8 folgt vorliegend der Auslenkungsrichtung der Eingabeeinheit 10, was eine intuitive Bedienung des Roboters 2 gewährleistet.The robot system 1 has a robot or a guide robot 2 with a (movable) robot arm 4 with several robot arm segments, which is movably articulated on a robot base 6. The robot arm 2 has an end effector 8 at the end, here in the form of a surgical (operating) microscope, which is movably connected to the robot arm 2 and which can be moved in space via the robot arm 2. The robot system 1 also has an input unit 10 for inputting an input signal to the robot 2 by a user. In this embodiment, the input unit 10 is a 3D mouse (i.e. a type of joystick with additional rotation inputs) that can be deflected in three different directions from a zero position or relative to a zero axis. A deflection angle of the joystick from the zero position in each of the individual directions is the input signal of the input unit 10. The input unit 10 in the form of the 3D mouse is attached to the end effector 8. The end effector 8 follows the deflection direction of the input unit 10, which ensures intuitive operation of the robot 2.

Das Robotersystem 1 weist eine Steuereinheit 12 auf, die dafür angepasst ist, die Bewegung des Roboterarms 4, und damit insbesondere die Position und Orientierung des Endeffektors 8, basierend auf dem Eingangssignal der 3D-Maus zu steuern. Die Steuereinheit 12 ist dabei speziell angepasst, das Eingangssignal in ein Steuersignal umzuwandeln. Speziell steuert die Steuereinheit 12 die Bewegung des Endeffektors 8 derart, dass das Eingangssignal der Eingabeeinheit 10 mittels einer in einer Speichereinheit hinterlegten nichtlinearen Steuerkurve 11 in eine Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors 8 umgewandelt wird, um die Bewegung des Endeffektors 8 zu steuern. Diese Steuerkurve 11 kann etwa als Funktion f(x) in der Speichereinheit hinterlegt sein (z.B. f(x)=x^2) oder als Kurve eines Graphs als solche. Insbesondere kann dieses Steuersignal als Geschwindigkeitsvektor des Endeffektors bezüglich eines kartesischen Koordinatensystems vorliegen (v_x= 1cm/s, v_y=2cm/s, v_z=0cm/s). Der Roboter 1 wird dann entsprechend so gesteuert, dass der Roboterarm 2 dann das Operationsmikroskop als Endeffektor 8 mit diesem Geschwindigkeitsvektor verfährt.The robot system 1 has a control unit 12 that is adapted to control the movement of the robot arm 4, and thus in particular the position and orientation of the end effector 8, based on the input signal of the 3D mouse. The control unit 12 is specially adapted to convert the input signal into a control signal. Specifically, the control unit 12 controls the movement of the end effector 8 such that the input signal of the input unit 10 is converted into a speed specification of the end effector 8 by means of a non-linear control curve 11 stored in a storage unit in order to control the movement of the end effector 8. This control curve 11 can be stored in the storage unit as a function f(x) (e.g. f(x)=x^2) or as a curve of a graph as such. In particular, this control signal can be present as a speed vector of the end effector with respect to a Cartesian coordinate system (v_x= 1cm/s, v_y=2cm/s, v_z=0cm/s). The robot 1 is then controlled accordingly so that the robot arm 2 then moves the surgical microscope as the end effector 8 with this speed vector.

Durch die angepasste Steuereinheit 12 mit der nichtlinearen Steuerkurve 11 kann der Nutzer bei geringer Auslenkung der 3D-Maus insbesondere eine präzise, langsame Bewegung ausführen, während der Nutzer bei einer großen Auslenkung der 3D-Maus eine schnelle Bewegung des Operationsmikroskops steuert. Damit wird dem Nutzer sowohl eine Feinsteuerung als auch eine Grobsteuerung zur Verfügung gestellt. In einer nicht dargestellten Variante kann anstelle oder neben dem Operationsmikroskop noch ein medizinisches Werkzeug als Endeffektor vorgesehen sein, insbesondere ein Bohrer, und die Steuereinheit 12 dafür angepasst sein, zwischen einem Bewegungsmodus und einem Werkzeugmodus hin- und her zu schalten und im Werkzeugmodus mittels einer hinterlegten, nichtlinearen Steuerkurve die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs zu steuern (über die 3D-Maus).The adapted control unit 12 with the non-linear control curve 11 enables the user to carry out a precise, slow movement when the 3D mouse is deflected slightly, while the user controls a fast movement of the surgical microscope when the 3D mouse is deflected greatly. This provides the user with both fine control and coarse control. In a variant not shown, a medical tool can be provided as an end effector instead of or in addition to the surgical microscope, in particular a drill, and the control unit 12 can be adapted to switch back and forth between a movement mode and a tool mode and to control the rotational speed of the tool in the tool mode using a stored, non-linear control curve (via the 3D mouse).

Das Robotersystem 1 weist ferner ein (OP-)Display 14 zur Ein- und Ausgabe und damit Interaktion des Nutzers mit dem Robotersystem 1 auf. Durch eine weitere Ausgabeeinheit 16 können Informationen, insbesondere ein von dem chirurgischen Mikroskop erfasstes Bild, an den Nutzer ausgegeben werden. Mit einem Navigationssystem ausgestattet, kann eine Kamera 18 kann die Position des Endeffektors 8 erfassen und die erfasste Position an die Steuereinheit 12 abgeben.The robot system 1 also has a (surgical) display 14 for input and output and thus interaction of the user with the robot system 1. Information, in particular an image captured by the surgical microscope, can be output to the user via a further output unit 16. Equipped with a navigation system, a camera 18 can capture the position of the end effector 8 and transmit the captured position to the control unit 12.

2 zeigt einen Graphen, der ein Steuersignal (f(x)) als eine Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors 8 in Abhängigkeit des Eingangssignals (x) mittels der nichtlinearen Steuerkurve 11 abbildet. Die Steuerkurve 11 ist in der Steuereinheit 12 bzw. einer Speichereinheit der Steuereinheit 12 hinterlegt. Die Steuereinheit 12 berechnet mittels der Steuerkurve 11 aus dem Eingangssignal der Auslenkung der 3D-Maus der Eingabeeinheit 10 das Steuersignal. Das Steuersignal ist die Vorgabe, wie schnell sich der Endeffektor 8 bewegen soll. Die Steuereinheit 12 gibt dieses Signal an den Roboter 2 aus, der durch Bewegung des Roboterarms 4 den Endeffektor 8 in der vorgegebenen Geschwindigkeit bewegt. Das Eingangssignal ist dabei auf der x-Achse und die Endeffektorgeschwindigkeit auf der der y-Achse abgebildet. Das Eingangssignal kann dabei insbesondere der Auslenkungswinkel aus der Nullposition des Joysticks sein. Ein linearer Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal und der Endeffektorgeschwindigkeit zur Gegenüberstellung ist als gestrichelte Linie dargestellt. In diesem Fall ist der lineare Zusammenhang als Ursprungsgerade mit einer Steigung von 1 dargestellt und bedeutet, die Endeffektorgeschwindigkeit steigt proportional mit dem Auslenkungswinkel an. Insbesondere hat die 3D-Maus sechs Freiheitsgrade, drei translatorische und drei rotatische, jeweils als sechs Eingabesignale (x, y, z, rx, ry, rz) und zu jedem Freiheitsgrad kann eine einzelne individuelle Steuerkurve 11 hinterlegt sein, oder es können für die translatorischen Freiheitsgrade eine (translatorische) Steuerkurve 11 und für die rotatorischen Freiheitsgrade eine (rotatorische) Steuerkurve 11 hinterlegt sein, so dass die eine (translatorische) Steuerkurve 11 für die translatorischen Freiheitsgrade einheitliche angewandt wird und die (rotatorische) Steuerkurve 11 für die rotatorischen Freiheitsgrade einheitliche angewandt wird. Alternativ kann auch eine einzige nichtlineare Steuerkurve 11 hinterlegt sein, welche auf alle sechs Freiheitsgrade angewandt wird. Insbesondere kann auch eine zeitliche Anpassung derart erfolgen, dass mit Auslenkung der 3D-Maus beginnend zum Zeitpunkt null t_0 eine Steuerkurve 11 nach und nach verändert wird und zwar erhöht wird, so dass zeitlich gesehen mit längerer Auslenkung auch kontinuierlich eine Geschwindigkeit bis zu einer Maximalgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt t_max erhöht wird. 2 shows a graph that maps a control signal (f(x)) as a speed specification of the end effector 8 as a function of the input signal (x) using the non-linear control curve 11. The control curve 11 is stored in the control unit 12 or a memory unit of the control unit 12. The control unit 12 calculates the control signal using the control curve 11 from the input signal of the deflection of the 3D mouse of the input unit 10. The control signal is the specification of how fast the end effector 8 should move. The control unit 12 outputs this signal to the robot 2, which moves the end effector 8 at the specified speed by moving the robot arm 4. The input signal is mapped on the x-axis and the end effector speed on the y-axis. The input signal can in particular be the deflection angle from the zero position of the joystick. A linear relationship between the input signal and the end effector speed is shown as a dashed line for comparison. In this case, the linear relationship is shown as a straight line through the origin with a slope of 1 and means that the end effector speed increases proportionally with the angle of deflection. In particular, the 3D mouse has six degrees of freedom, three translational and three rotational, each as six input signals (x, y, z, rx, ry, rz) and a single individual control curve 11 can be stored for each degree of freedom, or a (translational) control curve 11 can be stored for the translational degrees of freedom and a (rotational) Control curve 11 can be stored so that the one (translational) control curve 11 is applied uniformly for the translational degrees of freedom and the (rotational) control curve 11 is applied uniformly for the rotational degrees of freedom. Alternatively, a single non-linear control curve 11 can be stored, which is applied to all six degrees of freedom. In particular, a temporal adjustment can also be made in such a way that with the deflection of the 3D mouse, starting at time zero t_0, a control curve 11 is gradually changed and increased, so that in time with longer deflection, a speed is also continuously increased up to a maximum speed at a time t_max.

In der 2 ist eine Steuerkurve 11 gemäß einer Ausführungsform dargestellt, die eine quadratische Beziehung zwischen dem Eingangssignal (x) und der Endeffektorgeschwindigkeit als Steuersignal f(x) herstellt. In einem Bereich mit einem kleinen Auslenkungswinkel A (<50% Maximalauslenkung) führt das Eingangssignal zu einer kleinen Änderung der Endeffektorgeschwindigkeit. In dem Bereich des kleinen Auslenkungswinkels A liegt die Steuerkurve 11 unter der Ursprungsgerade. Das heißt, die Änderung des Eingangssignals führt lediglich zu einer kleinen oder langsamen Bewegung des Endeffektors 8. Dadurch wird eine Feinsteuerung realisiert.In the 2 a control curve 11 is shown according to an embodiment that establishes a quadratic relationship between the input signal (x) and the end effector speed as control signal f(x). In a range with a small deflection angle A (<50% maximum deflection), the input signal leads to a small change in the end effector speed. In the range of the small deflection angle A, the control curve 11 lies below the origin line. This means that the change in the input signal only leads to a small or slow movement of the end effector 8. This enables fine control.

In einem Bereich mit einem größeren Auslenkungswinkel B (>50% Maximalauslenkung) führt das Eingangssignal durch die quadratische Beziehung zwischen dem Eingangssignal und der Endeffektorgeschwindigkeit zu einer größeren Endeffektorgeschwindigkeit. Die Steuerkurve 11 liegt im Bereich B über der gestrichelten Ursprungsgerade. Änderungen des Eingangssignals führen daher zu einer großen bzw. schnellen Bewegung des Endeffektors 8. Somit kann der Endeffektor 8 schnell in die gewünschte Position verfahren werden. Das heißt, eine Grobsteuerung des Endeffektors 8 wird so verwirklicht.In an area with a larger deflection angle B (>50% maximum deflection), the input signal leads to a larger end effector speed due to the quadratic relationship between the input signal and the end effector speed. The control curve 11 lies in area B above the dashed line through the origin. Changes in the input signal therefore lead to a large or rapid movement of the end effector 8. The end effector 8 can therefore be moved quickly to the desired position. This means that coarse control of the end effector 8 is achieved.

3 zeigt eine weitere Steuerkurve 11 für die Umrechnung des Eingangssignals in das Steuersignal gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dabei ist die Steuerkurve 11 in drei unterschiedliche Bereiche unterteilt. In einem ersten Bereich mit einem kleinen Auslenkungswinkel A ist die Steuerkurve 11 im Wesentlichen quadratisch. Das heißt, ein kleines Eingangssignal führt zu einem kleinen Steuersignal und die Endeffektorgeschwindigkeit ist entsprechend gering. Die Steuerkurve 11 liegt in dem ersten Bereich A unter der gestrichelten Ursprungsgerade. In einem Bereich mit einem größeren Auslenkungswinkel B kann die Steuerkurve 11 beispielsweise eine Wurzelfunktion sein. Dadurch schmiegt sich das Steuersignal einem Maximum an. Das Maximum liegt im Bereich B über der Ursprungsgerade. Der Bereich B ist im Wesentlichen ein Bereich mit einem großen Auslenkungswinkel und einem entsprechend großen Steuersignal. In einem mittleren Bereich C kann die Steuerkurve 11 beispielsweise linear sein. Auf diese Weise lässt sich eine auf den Anwendungsfall optimal abgestimmte Steuerkurve 11 realisieren, die in verschiedenen Abschnitten unterschiedlich abgestimmt ist. 3 shows a further control curve 11 for converting the input signal into the control signal according to a further embodiment. The control curve 11 is divided into three different areas. In a first area with a small deflection angle A, the control curve 11 is essentially square. This means that a small input signal leads to a small control signal and the end effector speed is correspondingly low. The control curve 11 lies in the first area A below the dashed line of origin. In an area with a larger deflection angle B, the control curve 11 can be a root function, for example. This causes the control signal to approach a maximum. The maximum is above the line of origin in area B. Area B is essentially an area with a large deflection angle and a correspondingly large control signal. In a middle area C, the control curve 11 can be linear, for example. In this way, a control curve 11 can be implemented that is optimally tailored to the application and is tailored differently in different sections.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. 4 shows a flow chart of a control method according to a preferred embodiment.

In Schritt S1 erfasst die Eingabeeinheit 10 das Eingangssignal des Nutzers. Das Eingangssignal ist dabei insbesondere der Auslenkwinkel aus einer Nullposition der Eingabeeinheit 10 in Form eines Joysticks.In step S1, the input unit 10 detects the user's input signal. The input signal is in particular the deflection angle from a zero position of the input unit 10 in the form of a joystick.

In Schritt S2 wird das erfasste Eingangssignal in die Steuereinheit 12 eingegeben oder eingelesen.In step S2, the detected input signal is input or read into the control unit 12.

In Schritt S3 berechnet die Steuereinheit 12 das Steuersignal einer Geschwindigkeitsvorgabe des Endeffektors 8 in die vorgegebene Richtung aus dem Eingangssignal mittels der (hinterlegten) nichtlinearen Steuerkurve 11.In step S3, the control unit 12 calculates the control signal of a speed specification of the end effector 8 in the specified direction from the input signal by means of the (stored) non-linear control curve 11.

In Schritt S4 steuert die Steuereinheit 12 den Roboter 2 mit dem beweglichen Roboterarm 4 auf Basis des berechneten Steuersignals an und verfährt den Endeffektor 8 entsprechend der Geschwindigkeitsvorgabe.In step S4, the control unit 12 controls the robot 2 with the movable robot arm 4 on the basis of the calculated control signal and moves the end effector 8 according to the speed specification.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11: Robotersystemrobot system
22: Roboterrobot
44: Roboterarmrobot arm
66: Roboterbasisrobot base
88: Endeffektorend effector
1010: Eingabeeinheitinput unit
1111: Steuerkurvecontrol curve
1212: Steuereinheitcontrol unit
1414: Displaydisplay
1616: Ausgabeeinheitoutput unit
1818: Kamera camera
AA: Bereich mit kleiner Geschwindigkeitsvorgabearea with low speed setting
BB: mittlerer Bereichmiddle range
CC: Bereich mit großer Geschwindigkeitsvorgabearea with high speed specification

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6424338 B1 [0004]
WO 2010/088959 A1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Performance and Usability of Various Robotic Arm Control Modes from Human Force Signals” - Mick et al., Frontiers in Neurorobotics, October 2017, Vol. 11, Article 55 [0006]

Claims

Medical robot system (1) for an adapted control of an end effector (8), in particular for a control of a visualization unit as an end effector (8), during an operation on a patient, with: a robot (2) with a movable robot arm (4) and the end effector (8), which is connected to the robot arm (4) and can be moved by the robot arm (4); an input unit (10), in particular a force-sensitive input unit, in particular a joystick with a deflection angle from a zero position as an input signal, for the manual input of an input signal to the robot (2) by a user; and a control unit (12) which is adapted to control the movement of the robot arm (4), and thus in particular the position and/or orientation of the end effector (8), based on the input signal; characterized in that the control unit (12) is adapted to convert the input signal by means of a non-linear control curve (11) into a control signal of a speed specification of the end effector (8) in a predetermined direction in order to control the movement of the end effector (8).

Medical robot system (1) according to claim 1 , characterized in that the non-linear control curve is a function dependent on the input signal multiplied by the input signal itself, which is stored in particular in a memory unit.

Medical robot system (1) according to claim 1 or 2 , characterized in that in a graph with the input signal as abscissa and the control signal as ordinate, the control curve lies in a range of less than 20%, preferably less than 30% and particularly preferably less than 50% of a maximum input of the input unit, in particular a maximum deflection, below an origin straight line with gradient 1, so that the speed specification is smaller with a lower input signal than with a linear control.

Medical robot system (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that in a graph with the input signal as abscissa and the control signal as ordinate, the control curve in a range over 90% of a maximum input of the input unit, in particular a maximum deflection, lies above an origin line with gradient 1, so that the speed specification is greater with a larger input signal than with a linear control.

Medical robot system (1) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that a derivative of the control curve is linear or quadratic or at least partially linear.

Medical robot system (1) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that two different input signals can be detected via the input unit (10), in particular the input unit (10) is designed as a joystick which can be deflected in two directions, each with a deflection angle from a zero position as the input signal, wherein the control unit (12) is adapted to convert the first input signal by means of a first non-linear control curve into a control signal of a speed specification of the end effector (8) in a first predetermined direction and to convert the second input signal by means of a second control curve which differs from the first control curve into a control signal of a speed specification of the end effector (8) in a second predetermined direction.

Medical robot system (1) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the input unit (10), in particular the joystick, is arranged on the end effector (8), in particular is rigidly attached, and the direction of the deflection or the application of force specifies the predetermined direction of the movement of the end effector (8).

Medical robot system (1) according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the control unit (12) is adapted to switch at least temporarily between an amplification mode in which the non-linear control curve is applied to the input signal and a normal mode in which the input signal is proportionally converted into a control signal.

Medical robot system (1) according to one of the Claims 1 until 8 , characterized in that the control unit (12) is adapted to convert the input signal in a translation mode by means of the non-linear control curve only to a translational speed specification in the predetermined direction in order to control a translational movement of the end effector, or to convert the input signal in a rotation mode by means of the non-linear control curve only to a rotational speed specification in the predetermined rotational direction in order to control a rotational movement of the end effector.

Medical robot system (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the control unit (12) is adapted to vary or change the control curve during a movement of the end effector (8) in order to adapt the control in real time during a movement.

Medical robot system (1) according to one of the Claims 1 until 10 , characterized in that the end effector (8) is connected to a distal end of the movable robot arm (2) and is in particular a visualization unit, particularly preferably a surgical microscope, a gripping arm and/or a trocar.

Medical robot system (1) according to one of the Claims 1 until 11 , characterized in that the input unit (10) is a 3D mouse, a force and/or a torque sensor and/or an optical input system.

Control method for a medical robot system (1) for an adapted control of an end effector (8), in particular for a control of a visualization unit, during an intervention on a patient, characterized by the following steps: detecting an input signal from a user by an input unit (10), in particular a deflection angle from a zero position of the input unit (10); reading the detected input signal into a control unit (12); calculating a control signal of a speed specification of the end effector (8) in a predetermined direction on the basis of the input signal by the control unit (12) by means of a non-linear control curve, which is preferably stored in a memory unit; controlling a robot (2) of the robot system (1) with a movable robot arm (4) and the end effector (8), which is connected to the robot arm (4) and can be moved by the robot arm (4), by the control unit (12) on the basis of the calculated control signal.

Computer-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the steps of the control method according to claim 13 to execute.

Computer program comprising instructions which, when executed by a computer, cause the steps of the control method according to claim 13 to execute.