DE102013220329A1

DE102013220329A1 - Repositionable robot system

Info

Publication number: DE102013220329A1
Application number: DE201310220329
Authority: DE
Inventors: Julian Klodmann; Andreas Tobergte; Jan Tully; Stefan Strasser
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2015-04-09

Abstract

Robotersystem und Verfahren zur Behandlung eines Patienten oder Bearbeitung eines Werkstücks, bei dem das Robotersystem mindestens einen Roboterarm mit einem oder mehr Manipulatorelementen aufweist, wobei mit dem ersten Manipulatorelement eine Roboterbasis und mit dem letzten Manipulatorelement ein Endeffektor verbunden ist. Mit dem mindestens einen Roboterarm ist eine Robotersteuerung verbunden zur Steuerung der Bewegung des mindestens einen Roboterarms. Die Roboterbasis ist dabei mit einem Halteelement verbunden zur Befestigung der Roboterbasis am Ort des Halteelements. Weiter ist mit der Roboterbasis ein Sensor (28) zur Lageerfassung der Roboterbasis verbunden, wobei der Sensor ebenfalls mit der Steuerungsvorrichtung (30) verbunden ist zur Änderung der Bewegung des Roboterarms (10, 12) in Abhängigkeit von den erfassten Sensordaten.A robotic system and method for treating a patient or machining a workpiece, wherein the robotic system includes at least one robotic arm having one or more manipulator elements, wherein a robotic base is connected to the first manipulator element and an end effector is connected to the last manipulator element. A robot controller is connected to the at least one robot arm for controlling the movement of the at least one robot arm. The robot base is connected to a holding element for attachment of the robot base at the location of the holding element. Further, connected to the robot base is a sensor (28) for detecting the position of the robot base, which sensor is also connected to the control device (30) for changing the movement of the robot arm (10, 12) in response to the detected sensor data.

Description

Die Erfindung betrifft ein portables Robotersystem zur Behandlung von Patienten, Bearbeitung von Werkstücken, oder Bewegung von Objekten.The invention relates to a portable robot system for the treatment of patients, machining of workpieces, or movement of objects.

Bei der Regelung eines Robotersystems bietet sich im Allgemeinen die Vorsteuerung der Kräfte und Momente an, die durch gravitive Effekte auf die Gelenke wirken. Dies kann durch die Nutzung des Dynamikmodells durchgeführt werden. Aus der Kinematik des Robotersystems, der aktuellen Position und Wirkungsrichtung der Gravitation können Haltedrehmomente bestimmt werden, so dass das Robotersystem zuverlässig an einer Position gehalten werden kann. Gleichzeitig ist durch das Dynamikmodel sichergestellt, dass auch der Einfluss der Gravitation der Robotersegmente auf die Bewegung des Robotersystems korrekt berücksichtigt wird. Dies ist insbesondere wichtig, wenn eine erhöhte Positionierungsgenauigkeit erforderlich ist, wie in der minimalinvasiven Chirurgie. Bei nicht repositionierbaren Robotersystemen, die ortsfest angeordnet sind, wird eine Kalibrierung der Lage der Roboterbasis zur Gravitation lediglich einmal vorgenommen. Sollte der Roboter erneut repositioniert werden, hinsichtlich der Lage seiner Basis relativ zur Gravitation, ist diese Kalibrierung erneut durchzuführenWhen controlling a robot system, it is generally possible to pre-control the forces and moments that act on the joints through gravitational effects. This can be done by using the dynamics model. From the kinematics of the robot system, the current position and direction of action of gravity holding torques can be determined so that the robot system can be reliably held in one position. At the same time, the dynamics model ensures that the influence of the gravity of the robot segments on the movement of the robot system is also correctly taken into account. This is particularly important when increased positioning accuracy is required, as in minimally invasive surgery. For non-repositionable robotic systems that are stationary, calibration of the robotic base position for gravity is done only once. If the robot is to be repositioned again with respect to the location of its base relative to gravity, this calibration should be performed again

Bei Robotersystemen, die in Leichtbauweise hergestellt sind, bietet sich oft die Möglichkeit, dieses Robotersystem an unterschiedlichen Orten und insbesondere in unterschiedlichen Lagen anzubringen, so dass von dem Robotersystem ein Patient behandelt werden kann, ein Objekt bewegt oder ein Werkstück bearbeitet werden kann und sodann das selbe Robotersystem an einen anderen Ort oder in eine andere Lage gebracht werden kann und hier ebenfalls einen Patienten behandeln, ein Objekt bewegen oder ein Werkstück bearbeiten kann.In robot systems that are manufactured in lightweight construction, it is often possible to attach this robot system in different locations and in particular in different layers, so that a patient can be treated by the robot system, an object can be moved or a workpiece can be processed, and then same robot system can be moved to another location or in a different location and here also treat a patient, move an object or edit a workpiece.

Einige chirurgische Eingriffe erfordern es, den Operationstisch, auf dem der Patient gelagert ist, während des Eingriffs (intraoperativ) zu schwenken. Dadurch verändert sich die Lage der Organe im Körper durch die Schwerkraft (Gravitation), wodurch der Arbeitsbereich und die Sicht auf denselben für den Chirurgen freigegeben wird. Gerade in der Operationstechnik der minimalinvasiven Chirurgie, bei der lediglich durch kleine Hauteinschnitte und mittels langer dünner Instrumente operiert wird, ist das Umlagern der Organe ohne einen schwenkbaren Operationstisch kaum möglich. Diese Schwenkbaren Operationstische werden bereits standartmäßig im Operationssaal eigesetzt. Bei der robotergestützten minimalinvasiven Chirurgie, bei der das Robotersystem mit dem Operationstisch verbunden ist, ist das Schwenken des Operationstisches intraoperativ und während der Roboter aktiv geregelt wird nicht möglich, da insbesondere ein Ausgleichen erforderlich ist, um die Bewegung des Roboters an die veränderte Lage und die damit veränderte Wirkungsrichtung der Gravitation anzupassen.Some surgical procedures require swiveling the operating table on which the patient is stored during surgery (intraoperatively). As a result, the position of the organs in the body is changed by gravity, which releases the work area and the sight to the surgeon. Especially in the surgical technique of minimally invasive surgery, in which only small incisions of the skin and long thin instruments are used, it is hardly possible to relocate the organs without a swiveling operating table. These swivel operating tables are already standard in the operating room eigesetzt. In robot-assisted minimally invasive surgery, where the robotic system is connected to the operating table, the pivoting of the operating table is intraoperative and while the robot is actively controlled, it is not possible, in particular, to compensate for the movement of the robot to the changed position and position to adapt the changed direction of action to gravitation.

Auch bei der Bearbeitung von Werkstücken kann es unter Umständen vorteilhaft sein die Bearbeitung bei einer veränderten Lage durchzuführen, insbesondere dann, wenn das Werkstück bewegliche und/oder verformbare Teile enthält die durch die veränderte Lage und der damit erfolgten Änderung der Richtung der Schwerkraft in eine Position gebracht werden können, die für die Bearbeitung vorteilhaft ist.Also, in the machining of workpieces, it may be advantageous to perform the machining at a changed position, especially if the workpiece contains movable and / or deformable parts by the change in position and the resulting change in the direction of gravity in a position can be brought, which is advantageous for processing.

Üblicherweise ist bei der Veränderung der Lage der Roboterbasis eine manuelle Anpassung nötig. Hierdurch entstehen längere Behandlungs- bzw. Bearbeitungszeiten und es ist das fallbezogene Eingreifen des Operateurs bzw. des Benutzers notwendig.Usually, a manual adjustment is necessary when changing the position of the robot base. This results in longer treatment or processing times and it is the case-related intervention of the surgeon or the user necessary.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Robotersystem zu schaffen welches ohne Kalibrierung in unterschiedlichen Lagen verwendet werden kann.The object of the invention is therefore to provide a robot system which can be used without calibration in different positions.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Robotersystem gemäß Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7.The solution of this object is achieved according to the invention by a robot system according to claim 1, and a method according to claim 7.

Das erfindungsgemäße Robotersystem zur Behandlung eines Patienten, Bewegung eines Objektes oder Bearbeitung eines Werkstücks weist mindestens einen Roboterarm auf. Dieser mindestens eine Roboterarm weist ein oder mehr Manipulatorelemente auf, wobei die einzelnen Manipulatorelemente untereinander durch Knick- und/oder Drehgelenke miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist das erste Manipulatorelement mit einer Roboterbasis ebenfalls über ein Roll- und/oder ein Knickgelenk verbunden. Weist der Roboterarm nur ein Manipulatorelement auf, so ist das erste Manipulatorelement gleichzeitig das letzte Manipulatorelement, welches ebenfalls mit einem Endeffektor verbunden ist. Sind mehr als ein Manipulatorelement vorgesehen, so ist das letzte Manipulatorelement mit einem Endeffektor oder einem optischen Instrument verbunden. The robot system according to the invention for treating a patient, moving an object or machining a workpiece has at least one robot arm. This at least one robot arm has one or more manipulator elements, wherein the individual manipulator elements are interconnected by articulated and / or rotary joints. In addition, the first manipulator element with a robot base is also connected via a rolling and / or articulated joint. If the robot arm has only one manipulator element, the first manipulator element is at the same time the last manipulator element, which is likewise connected to an end effector. If more than one manipulator element is provided, the last manipulator element is connected to an end effector or an optical instrument.

Insbesondere handelt es sich um einen Roboter mit einer Basis, einer Endeffektoraufnahme und einer Gelenkkonfiguration, welche die Basis und die Endeffektoraufnahme verbindet, wobei die Gelenkkonfiguration eine Bewegung der Endeffektoraufnahme in min. 5 Raumfreiheitsgraden ermöglicht. Diese Gelenkkonfiguration schließt auch parallele Kinematiken bzw. Mechanismen ein.In particular, it is a robot having a base, an end effector receptacle, and a hinge configuration connecting the base and the end effector receptacle, the hinge configuration allowing movement of the end effector receptacle in min. 5 room degrees of freedom possible. This joint configuration also includes parallel kinematics or mechanisms.

Bei dem Endeffektor kann es sich um einen Greifer, ein Werkzeug, ein chirurgisches Instrument, ein Instrument für die minimal invasive Chirurgie oder dergleichen handeln. Dabei ist der Endeffektor insbesondere fest, bevorzugt jedoch austauschbar über eine Kupplung mit dem letzten Manipulatorelement des Roboterarms verbunden. Alternativ oder zusätzlich zu einem Endeffektor kann mit dem letzten Manipulatorelement ein optisches Instrument verbunden sein, bei dem es sich beispielsweise um eine Kamera, ein Endoskop, eine fasergekoppelte Beobachtungsvorrichtung, einen Laser, einen Laserpointer oder dergleichen handelt. Dabei ist das optische Instrument insbesondere fest, bevorzugt jedoch austauschbar, über eine Kupplung mit dem letzten Manipulatorelement des Roboterarms verbunden. The end effector may be a gripper, a tool, a surgical instrument, an instrument for minimally invasive surgery, or the like. In this case, the end effector is particularly strong, but preferably exchangeable over a coupling connected to the last manipulator element of the robot arm. Alternatively or in addition to an end effector, an optical instrument can be connected to the last manipulator element, which is, for example, a camera, an endoscope, a fiber-coupled observation device, a laser, a laser pointer or the like. In this case, the optical instrument is in particular fixed, but preferably exchangeable, connected via a coupling with the last manipulator element of the robot arm.

Das erfindungsgemäße Robotersystem weist insbesondere mehr als einen Roboterarm auf, wobei jeder weitere Roboterarm ebenfalls ein oder mehr Manipulatorelemente aufweist. Ist mehr als ein Roboterarm vorgesehen, so sind bevorzugt die jeweils ersten Manipulatorelemente der jeweiligen Roboterarme mit einer gemeinsamen Roboterbasis verbunden. Somit weist das Robotersystem auch beim Vorsehen von mehr als einem Roboterarm insbesondere lediglich eine Roboterbasis auf. Insbesondere sind mit den einzelnen Roboterarmen die gleichen und bevorzugt unterschiedliche Werkzeuge und/ oder optische Instrumente mit dem jeweils letzten Manipulatorelment verbunden. Diese Verbindung ist dabei insbesondere fest, erfolgt bevorzugt jedoch über eine Kupplung, so dass die einzelnen Werkzeuge und/ oder optischen Instrumente austauschbar sind. In particular, the robot system according to the invention has more than one robot arm, each additional robot arm likewise having one or more manipulator elements. If more than one robot arm is provided, the respective first manipulator elements of the respective robot arms are preferably connected to a common robot base. Thus, even with the provision of more than one robot arm, the robot system in particular has only one robot base. In particular, the same and preferably different tools and / or optical instruments are connected to the respective last manipulator element with the individual robot arms. This connection is in particular fixed, but preferably takes place via a coupling, so that the individual tools and / or optical instruments are interchangeable.

Erfindungsgemäß ist mit dem mindestens einen Roboterarm eine Steuerungsvorrichtung verbunden, zur Steuerung der Bewegung des mindestens einen Roboterarms. Ist mehr als ein Roboterarm vorgesehen, sind insbesondere alle Roboterarme mit einer gemeinsamen Steuerungsvorrichtung verbunden.According to the invention, a control device is connected to the at least one robot arm for controlling the movement of the at least one robot arm. If more than one robot arm is provided, in particular all robot arms are connected to a common control device.

Die Roboterbasis ist erfindungsgemäß mit einem Halteelement verbindbar, um das Robotersystem am Ort des Halteelements zu befestigen. Bei dem Halteelement kann es sich um Schrauben handel, mit denen die Roboterbasis verschraubt wird. Es kann sich bei dem Halteelement jedoch auch um eine einfaches Wand- oder Deckenelement handeln, an welches die Roboterbasis klemmend befestigt wird. Alternativ hierzu weist das Halteelement eine Nut bzw. Feder auf, in die eine korrespondierende Feder bzw. Nut der Roboterbasis eingeschoben werden kann. Die Verbindung zwischen der Roboterbasis und dem Haltelement ist dabei insbesondere lösbar ausgebildet und wird bevorzugt durch Verschrauben, Klemmen, Verhaken, magnetisch oder per Formschluss erzeugt. So ist es möglich, dass das Robotersystem von einem Halteelement gelöst wird und mit einem anderen Halteelement verbunden wird. Die Lage relativ zur Wirkungsrichtung der Gravitation der Halteelemente kann dabei unterschiedlich sein. The robot base according to the invention can be connected to a holding element in order to fix the robot system at the location of the holding element. The holding element can be screws, with which the robot base is screwed. However, the retaining element may also be a simple wall or ceiling element to which the robot base is fastened by clamping. Alternatively, the holding element has a groove or spring into which a corresponding spring or groove of the robot base can be inserted. The connection between the robot base and the holding element is in particular detachable and is preferably produced by screwing, clamping, hooking, magnetic or by positive locking. Thus, it is possible that the robot system is released from a holding element and is connected to another holding element. The position relative to the direction of action of the gravity of the holding elements can be different.

Erfindungsgemäß ist mit der Roboterbasis ein Sensor verbunden zur Lageerfassung der Roboterbasis. Bei dem Sensor handelt es sich insbesondere um einen Beschleunigungssensor oder in integrierter Form um eine Trägheitsmesseinheit.According to the invention, a sensor is connected to the robot base for detecting the position of the robot base. In particular, the sensor is an acceleration sensor or, in integrated form, an inertial measurement unit.

Der Sensor zur Lageerfassung der Roboterbasis ist erfindungsgemäß ebenfalls mit der Steuerungsvorrichtung verbunden zur Erfassung und Auswertung der Sensordaten. Bei einer erfassten Lageveränderung der Roboterbasis wird durch die Steuerungsvorrichtung die Bewegung des Roboterarms in Abhängigkeit von den erfassten Sensordaten angepasst. Dies betrifft insbesondere die auf die einzelnen Manipulatorelemente aufgebrachten Drehmomente. Durch die detektierte Lage der Roboterbasis kann eine erneute Kalibrierung für die veränderte Lage durchgeführt werden auf Grundlage des Dynamikmodels, da die Wirkungsrichtung der Gravitation durch den Sensor erfasst werden und die Kinematik sich durch eine Lageänderung der Roboterbasis nicht ändert. Somit braucht der Roboterarm für eine erneute Kalibrierung lediglich eine bekannte Position anzufahren, um alle benötigten Informationen für eine Kalibrierung auf Grundlage des Dynamikmodels durchführen zu können. Insbesondere lassen sich durch die Erfassung der Lage der Roboterbasis die Haltedrehmomente bestimmen, die nötig sind, damit der Roboterarm positionstreu gehalten werden kann. Jedoch ändern sich auch die nötigen Drehmomente für eine präzise Bewegung des Roboterarms in Abhängigkeit von der Lage der Roboterbasis. Durch die Kalibrierung sind diese nötigen Drehmomente bekannt, wodurch eine präzise Bewegung durchgeführt werden kann.The sensor for position detection of the robot base according to the invention is also connected to the control device for detecting and evaluating the sensor data. Upon a detected positional change of the robot base, the control device adjusts the movement of the robot arm as a function of the detected sensor data. This applies in particular to the torques applied to the individual manipulator elements. Due to the detected position of the robot base, a new calibration for the changed position can be carried out on the basis of the dynamics model, since the direction of action of the gravity is detected by the sensor and the kinematics does not change due to a change in position of the robot base. Thus, for re-calibration, the robotic arm need only travel to a known position to provide all the information needed for calibration based on the dynamics model. In particular, can be determined by the detection of the position of the robot base, the holding torques that are necessary so that the robot arm can be kept positionally true. However, the torques required for precise movement of the robot arm also vary depending on the position of the robot base. By calibrating these necessary torques are known, whereby a precise movement can be performed.

Insbesondere ist der Sensor in die Roboterbasis integriert. Bevorzugt ist ebenfalls die Steuerungsvorrichtung in die Roboterbasis integriert. In particular, the sensor is integrated in the robot base. Preferably, the control device is also integrated in the robot base.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halteelement an einem insbesondere roll- und schwenkbaren Stativ befestigt. Hierdurch ist die Roboterbasis am insbesondere roll- und schwenkbaren Stativ befestigbar, so dass durch die Befestigung der Roboterbasis an einem insbesondere roll- und schwenkbaren Stativ ein mobiles Leichtbau-Robotersystem geschaffen wird. In a preferred embodiment, the holding element is attached to a particular roll and swivel stand. As a result, the robot base can be fastened to the especially rollable and swivellable stand, so that a mobile lightweight robot system is created by attaching the robot base to a particularly rollable and swivelable stand.

In einer alternativen Ausführungsform ist das Halteelement mit einer Wand oder einer Raumdecke verbunden, so dass die Roboterbasis entsprechend an der Wand bzw. der Raumdecke insbesondere lösbar befestigt werden kann. Bei der Wand bzw. Raumdecke handelt es sich insbesondere um eine Wand bzw. Raumdecke eines Operationssaals bzw. einer Werkhalle.In an alternative embodiment, the holding element is connected to a wall or a ceiling, so that the robot base can be attached to the wall or the ceiling in particular releasably. The wall or ceiling is in particular a wall or ceiling of an operating room or a workshop.

Insbesondere ist das Halteelement mit einer lageveränderlichen Aufnahmevorrichtung verbunden. Somit wird bei der Lageveränderung der Aufnahmevorrichtung ebenfalls die Lage der Roboterbasis verändert. Insbesondere bei der Lageveränderung der Roboterbasis wirkt die Schwerkraft auf die einzelnen Manipulatorelemente in eine veränderte Richtung in Abhängigkeit von der Lage der Roboterbasis. Dies führt dazu, dass eine unterschiedlich große Kraft zur Bewegung der einzelnen Manipulatorelemente aufgebracht werden muss, in Abhängigkeit von der Lage der Roboterbasis. Bei besonders präzisen Bewegungen, wie sie in der minimalinvasiven Chirurgie erforderlich sind, müssen diese gravitativen Einflüsse, verursacht durch die Lageveränderung der Roboterbasis, durch die Steuerungsvorrichtung korrigiert werden. Dies erfolgt durch eine Lageerfassung der Roboterbasis, und, da die Roboterbasis mit der Aufnahmeeinrichtung verbunden ist, gleichzeitig eine Lageerfassung der Aufnahmeeinrichtung. Die erfasste Lage wird durch die Steuerungsvorrichtung ausgewertet und die Bewegung des mindestens einen Roboterarms bzw. die Kraft auf die einzelnen Manipulatorelement so korrigiert, dass der Einfluss der veränderten Gravitationsrichtung kompensiert wird. In particular, the holding element with a variable-position receiving device connected. Thus, the position of the robot base is also changed in the position change of the recording device. In particular, in the position change of the robot base gravity acts on the individual manipulator elements in a changed direction depending on the position of the robot base. As a result, a force of different magnitude must be applied to move the individual manipulator elements, depending on the position of the robot base. In the case of particularly precise movements, as required in minimally invasive surgery, these gravitational influences caused by the change in position of the robot base must be corrected by the control device. This is done by a position detection of the robot base, and, since the robot base is connected to the receiving device, at the same time a position detection of the receiving device. The detected position is evaluated by the control device and the movement of the at least one robot arm or the force on the individual manipulator element corrected so that the influence of the changed gravitational direction is compensated.

Insbesondere handelt es sich bei der lageveränderlichen Aufnahmevorrichtung um eine lageveränderliche Werkstückaufnahme. Auf die Werkstückaufnahme wird das Werkstück insbesondere gehalten und gelagert. Dabei ist die Werkstückaufnahme bevorzugt um mindestens eine horizontale Achse kipp- bzw. schwenkbar und besonders bevorzugt um mehr als eine horizontale Achse kipp- und schwenkbar.In particular, the positionally variable receiving device is a position-variable workpiece holder. On the workpiece holder, the workpiece is held and stored in particular. In this case, the workpiece holder is preferably tiltable or pivotable about at least one horizontal axis and particularly preferably tiltable and pivotable about more than one horizontal axis.

Alternativ handelt es sich bei der lageveränderlichen Aufnahmevorrichtung insbesondere um einen lageveränderlichen Operationstisch. Auf dem Operationstisch wird der Patient insbesondere gehalten und gelagert. Dabei ist der Operationstisch bevorzugt um mindestens eine horizontale Achse kipp- bzw. schwenkbar und besonders bevorzugt um mehr als eine horizontale Achse kipp- und schwenkbar.Alternatively, the positionally variable receiving device is in particular a variable-position operating table. In particular, the patient is held and stored on the operating table. In this case, the operating table is preferably tiltable or pivotable about at least one horizontal axis and more preferably tiltable and pivotable about more than one horizontal axis.

Bei der Verbindung der Roboterbasis mit der Aufnahmeeinrichtung ist es insbesondere vorgesehen bei einer erfassten Lageveränderung der Aufnahmeeinrichtung einen Notstopp durchzuführen, bzw. bei detektierter Lageveränderung ein aktives Nachführen des mindestens einen Roboterarms gemäß der erfassten Lageveränderung vorzunehmen. Insbesondere ist es ebenfalls möglich, dass bei einer erfassten Lageveränderung der Roboterarm in eine Ruhestellung verfahren wird, bevorzugt entlang eines vorgegebenen Bewegungspfads, wobei dieser Bewegungspfad besonders bevorzugt in Abhängigkeit der erfassten Lage der Aufnahmeeinrichtung ermittelt wird. Insbesondere ist es möglich, dass durch die Steuerungsvorrichtung eine Korrektur der Bewegung des Roboterarms vorgenommen wird zur Kompensation der gravitativen Einflüsse auf die einzelnen Manipulatorlemenete des Roboterarms. When connecting the robot base to the receiving device, it is provided in particular to carry out an emergency stop in the event of a detected change in position of the receiving device, or to carry out an active tracking of the at least one robot arm according to the detected positional change when the position change is detected. In particular, it is likewise possible for the robot arm to be moved into a rest position during a detected change in position, preferably along a predetermined movement path, wherein this movement path is determined particularly preferably as a function of the detected position of the receiving device. In particular, it is possible for the control device to correct the movement of the robot arm in order to compensate for the gravitational influences on the individual manipulator elements of the robot arm.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms in Abhängigkeit der Lage der Roboterbasis relativ zur Wirkungsrichtung der Gravitation, welches die Schritte umfasst, dass zunächst die Lage der Roboterbasis durch einen Sensor erfasst wird, dann die Lage durch eine mit dem Sensor verbundene Steuerungsvorrichtung ausgewertet wird und nachfolgend über eine mit der Steuerungsvorrichtung verbundene Robotersteuerung die Bewegung des Roboters verändert wird. Dabei wird insbesondere durch den Sensor die Veränderung der Lage der Roboterbasis d.h. eine relative Lageveränderung erfasst und/oder die absolute Lage der Roboterbasis im Verhältnis zur Wirkungsrichtung der Schwerkraft.Furthermore, the invention relates to a method for controlling a robot arm as a function of the position of the robot base relative to the direction of action of gravity, comprising the steps of first detecting the position of the robot base by a sensor, then evaluating the position by a control device connected to the sensor and subsequently, via a robot controller connected to the control device, the movement of the robot is changed. In particular, the sensor changes the position of the robot base, i. detects a relative change in position and / or the absolute position of the robot base in relation to the direction of action of gravity.

Insbesondere ist das Verfahren entsprechend der vorstehend anhand des Robotersystems beschriebenen Merkmale weitergebildet.In particular, the method is developed in accordance with the features described above with reference to the robot system.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

1 ein Robotersystem zur Behandlung eines Patienten bei welchem die Roboterbasis mit der Aufnahmevorrichtung verbunden ist (in Draufsicht) und 1 a robot system for treating a patient in which the robot base is connected to the receiving device (in plan view) and

2 ein Robotersystem, bei welchem die Roboterbasis an einer Raumdecke befestig ist (in Seitenansicht). 2 a robot system in which the robot base is fixed to a ceiling (in side view).

Das erfindungsgemäße Robotersystem weist wie in 1 dargestellt zwei Roboterarme 10, 12 auf, wobei die beiden Roboterarme 10, 12 wiederum jeweils zwei Manipulatorelemente 14 aufweisen, die über Gelenke 16 miteinander verbunden sind. Am letzten Manipulatorelement 14 der beiden Roboterarme 10, 12 sind Endeffektoren 18 vorgesehen. Das jeweils erste Manipulatorelement 14 ist mit einer Roboterbasis 17 verbunden. Weiter weist das Robotersystem eine Aufnahmeeinrichtung auf, die insbesondere als Operationstisch 20 ausgebildet ist und mit der die Roboterbasis über ein Halteelement (nicht dargestellt) verbunden ist. Auf dem Operationstisch 20 ist ein Patient 22 gelagert und gehalten. Der Operationstisch 20 ist dabei um mindestens zwei Schwenkachsen 24, 26 verschwenkbar, wobei die Achsen 24 und 26 horizontale Achsen sind. Dadurch, dass der Operationstisch 20 um die horizontalen Achsen 24, 26 verschwenkbar ist, lässt sich die Lage des Patienten 22 verändern.The robot system according to the invention has, as in 1 illustrated two robot arms 10 . 12 on, with the two robot arms 10 . 12 again two manipulator elements 14 have over joints 16 connected to each other. At the last manipulator element 14 the two robot arms 10 . 12 are end-effectors 18 intended. The respective first manipulator element 14 is with a robot base 17 connected. Furthermore, the robot system has a receiving device, in particular as an operating table 20 is formed and with the robot base via a holding element (not shown) is connected. On the operating table 20 is a patient 22 stored and held. The operating table 20 is at least two pivot axes 24 . 26 pivotable, with the axes 24 and 26 horizontal axes are. By doing that, the operating table 20 around the horizontal axes 24 . 26 is pivotable, can be the location of the patient 22 change.

Mit der Roboterbasis 17 ist ein Lagesensor 28 verbunden, wobei insbesondere der Lagesensor 28 integriert ist in die Roboterbasis 17. Der Lagesensor 28 ist mit einer Steuerungsvorrichtung 30. Durch die Steuerungsvorrichtung 30 werden die Sensordaten des Lagesensors 28 erfasst und ausgewertet. Durch die Steuerungsvorrichtung 30 wird ebenfalls die Bewegung der beiden Roboterarme 10, 12 gesteuert. Durch die Steuerungsvorrichtung 30 in Abhängigkeit der erfassten Sensordaten des Lagesensors 28 wird die Bewegung der beiden Roboterarme 10, 12 verändert. Wird die Lage des Patienten 22 durch einen Schwenk um z.B. die Achse 24 verändert, wodurch sich gleichzeitig die Lage der Roboterbasis ändert, so wird diese Lageveränderung durch den Lagesensor 28 erfasst, und in Folge der Auswertung kann durch die Steuerungsvorrichtung 30 über die Robotersteuerung 32 einen Notstopp der beiden Roboterarme 10, 12 durchführen. Alternativ hierzu kann die Bewegung der beiden Roboterarme 10, 12 lediglich während des Verschwenkvorgangs des Operationstischs 20 um die Achse 24 unterbrochen werden. Insbesondere wird durch die Steuerungsvorrichtung 30 der Einfluss der Schwerkraft auf die Bewegung der beiden Roboterarme 10, 12 berücksichtigt, so dass die gravitativen Effekte gerade kompensiert werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Bewegung der beiden Roboterarme 10, 12.With the robot base 17 is a position sensor 28 connected, in particular the position sensor 28 is integrated into the robot base 17 , The position sensor 28 is with a control device 30 , By the control device 30 become the sensor data of the position sensor 28 recorded and evaluated. By the control device 30 is also the movement of the two robot arms 10 . 12 controlled. By the control device 30 depending on the detected sensor data of the position sensor 28 becomes the movement of the two robot arms 10 . 12 changed. Will the patient's location 22 by a pan around, for example, the axis 24 changed, whereby at the same time changes the position of the robot base, so this position change is by the position sensor 28 detected, and as a result of the evaluation can by the control device 30 via the robot control 32 an emergency stop of the two robot arms 10 . 12 carry out. Alternatively, the movement of the two robot arms 10 . 12 only during the pivoting operation of the operating table 20 around the axis 24 to be interrupted. In particular, by the control device 30 the influence of gravity on the movement of the two robot arms 10 . 12 considered, so that the gravitational effects are being compensated. This leads to an increase in the accuracy of the movement of the two robot arms 10 . 12 ,

In einer weiteren Ausführungsform gezeigt in 2, weist das Robotersystem lediglich einen Roboterarm 34 auf. Der Roboterarm 34 weist dabei zwei Manipulatorelemente 14 auf, die über ein Gelenk 16 miteinander verbunden sind. Das erste Manipulatorelement 14 ist dabei mit der Roboterbasis 17 verbunden. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Roboterbasis 17 dabei über ein erstes Halteelement 35 an einer Wand 36 und insbesondere der Raumdecke des Operationssaals verbunden. Mit dem letzten Manipulatorelements des Roboterarms 34 ist ein Endeffektor 18 verbunden, der insbesondere als chirurgisches Instrument ausgebildet ist. Die Bewegung des Roboterarms 34 wird dabei über eine Robotersteuerung 32 gesteuert.In a further embodiment shown in FIG 2 , the robot system has only one robot arm 34 on. The robot arm 34 has two manipulator elements 14 on that over a joint 16 connected to each other. The first manipulator element 14 is with the robot base 17 connected. In the in 2 The embodiment shown is the robot base 17 in this case via a first holding element 35 on a wall 36 and in particular the ceiling of the operating room. With the last manipulator element of the robot arm 34 is an end effector 18 connected, which is designed in particular as a surgical instrument. The movement of the robot arm 34 is doing so via a robot controller 32 controlled.

Mit der Roboterbasis 17 ist ein Lagesensor 28 verbunden. Die veränderte Lage bzw. die Veränderung der Lage der Roboterbasis 17 wird durch den Lagesensor 28 erfasst. Der Lagesensor 28 ist mit einer Steuerungsvorrichtung 30 verbunden, welche die erfassten Sensordaten auswertet. Weiter ist die Steuerungsvorrichtung 30 mit dem Roboterarm 34 verbunden. With the robot base 17 is a position sensor 28 connected. The changed position or the change in the position of the robot base 17 is through the position sensor 28 detected. The position sensor 28 is with a control device 30 connected, which evaluates the detected sensor data. Next is the control device 30 with the robot arm 34 connected.

Weiter weist das Robotersystem in der Ausführungsform gezeigt in 2, eine Aufnahmeeinrichtung auf, die als Operationstisch 20 ausgebildet ist.Further, the robot system in the embodiment shown in FIG 2 , a receiving device that acts as an operating table 20 is trained.

Darüber hinaus ist am Operationstisch 20 ein zweites Haltelement 38 angeordnet. Die Roboterbasis 17 ist lösbar mit dem ersten Halteelement 35 verbunden. Die Roboterbasis 17 des Roboterarms 34 kann somit von dem ersten Halteelement 35 gelöst werde und sodann mit dem zweiten Halteelement 38 verbunden werden. Hierbei ändert sich die Lage der Roboterbasis 17 relativ zur Wirkungsrichtung der Schwerkraft. Diese Veränderung der Lage der Roboterbasis 17 wird durch den Lagesensor 28 detektiert. In Abhängigkeit von der geänderten Lage wird die Steuerungsvorrichtung 30 automatisch neu kalibriert, ohne dass eine manuelle Kalibrierung notwendig wird. Somit können die durch die veränderte Lage verursachten Änderungen der Haltemoment für die einzelnen Manipulatorelement 14 sowie die benötigten Drehmomente/Kräfte für eine präzise Bewegung berücksichtigt werden. Hierdurch werden gravitative Einflüsse auf die Bewegung des Roboterarms 34 durch die Steuerungsvorrichtung 30 gerade kompensiert.In addition, at the operating table 20 a second holding element 38 arranged. The robot base 17 is detachable with the first holding element 35 connected. The robot base 17 of the robot arm 34 can thus from the first holding element 35 will be solved and then with the second holding element 38 get connected. This changes the position of the robot base 17 relative to the direction of gravity. This change in the location of the robot base 17 is through the position sensor 28 detected. Depending on the changed position, the control device 30 automatically recalibrated without the need for manual calibration. Thus, the changes caused by the change in position of the holding torque for the individual manipulator element 14 as well as the required torques / forces for a precise movement are taken into account. As a result, gravitational influences on the movement of the robot arm 34 by the control device 30 just compensated.

Claims

Robotic system for treating a patient ( 22 ), Movement of an object or machining of a workpiece, with at least one robot arm ( 10 . 12 ) with one or more manipulator elements ( 14 ), wherein with the first manipulator element a robot base ( 17 ) and with the last manipulator element an end effector ( 18 ) or an optical instrument, one with the at least one robot arm ( 10 . 12 ) associated robot control ( 32 ) for controlling the movement of the at least one robot arm ( 10 . 12 ) and a support element which can be connected to the robot base and fixes the robot base at the location of the holding element, characterized by a sensor connected to the robot base ( 28 ) for detecting the position of the robot base, wherein the sensor with the control device ( 30 ) is connected to change the movement of the robot arm ( 10 . 12 ) depending on the detected sensor data.

Robot system according to claim 1, characterized in that the robot base is detachably connected to the holding element.

Robot system according to claim 1 or 2, characterized in that the holding element is provided on a particular movable stand.

Robot system according to one of claims 1-3, characterized in that the retaining element is provided on a wall or ceiling.

Robot system according to one of claims 1-4, characterized in that the holding element with a position-variable receiving device, in particular a variable-position operating table ( 20 ) connected is.

Method for controlling a robot system ( 10 . 12 ) depending on the position of the robot base, in which the position of the robot base by a sensor ( 28 ) the position is detected by one with the sensor ( 28 ) connected control device ( 30 ) and via a with the control device ( 30 ) connected robot controller ( 32 ) the movement of the robot arm ( 10 . 12 ) is changed.