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Die Erfindung betrifft ein robotisches Gerät mit einer kinematischen Kette von mehreren zueinander bewegbaren Komponenten, mit einer Sensoreinrichtung, die ausgelegt ist, eine Kraft und/oder ein Moment zu erfassen, welche oder welches auf zumindest eine der bewegbaren Komponenten ausgeübt wird, sowie mit einer Steuereinrichtung, die ausgelegt ist, in Abhängigkeit der erfassten Kraft und/oder des erfassten Moments eine Bewegung der zumindest einen der bewegbaren Komponenten in Richtung der ausgeübten Kraft zu steuern. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen robotischen Geräts.
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Ging es in der Vergangenheit häufig darum, menschliche Arbeit durch Roboter oder durch ein robotisches Gerät zu ersetzen, steht heute vielmehr der Roboter oder das robotische Gerät als Assistenzmedium im Vordergrund. Die strikte Trennung zwischen starrer Automation und Handarbeit wird zunehmend aufgehoben. Leistungsfähige Sensoren, intelligente Steuerungstechnik und fortschrittliche Softwaretechnologien werden in moderne robotische Geräte integriert. Diese Roboter können sich üblicherweise auch passiv von der Hand einer Bedienperson, beispielsweise eines Chirurgen bewegen lassen. Eine Bedienperson, welche mit einem robotischen Gerät als Assistent zusammenarbeitet, beispielsweise ein Chirurg während einer roboterunterstützten Operation, muss oft sehr komplexe Manöver durchführen. Gleichzeitig kommen in vielen Anwendungen gleiche Manöver in sich wiederholender Form sehr häufig vor. Gerade bei einem medizinischen Eingriff ist hier die Schnelligkeit der Bewegung und die Korrektheit in der Trajektorie entscheidend für das Ergebnis der Operation. Es existiert eine Reihe von Ansätzen um die Zusammenarbeit zwischen Bedienperson und einem assistierenden robotischen Gerät zu verbessern.
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So offenbart die
US 6,463,361 B1 ein robotisches System, welches Sprachbefehle eines Benutzers auswertet, um ein medizinisches Instrument zu bewegen. Auch die
US 6,785,358 B2 sieht ein Auswerten von Sprachbefehlen vor, um ein medizinisches Gerät, in diesem Fall ein Röntgensystem, zu kontrollieren.
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In der
US 2013/0110130 A1 wird ein Kontrollsystem für ein medizinisch-robotisches Gerät beschrieben. Dieses Kontrollsystem erlaubt ein Einstellen eines gewünschten Drehmoments, welches trotz Ermüdungserscheinungen von beispielsweise Drähten oder Bowdenzügen des robotischen Gerätes präzise in der gewünschten Stärke umgesetzt wird.
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Die
DE 10 2008 027 008 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Manipulators, insbesondere eines Roboters, der um eine vorbestimmte Strecke in einer Soll-Bewegungsrichtung, welche auf Basis einer auf ihn ausgeübten Kraft ermittelt wird, bewegt wird. Die Soll-Bewegungsrichtung kann dabei auf einen Unterraum des konstruktiv möglichen Bewegungsumfanges eingeschränkt werden.
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Aus der
DE 196 24 680 A1 ist es bekannt, einer Steuereinrichtung einer medizinischen Einrichtung beziehungsweise einem der Steuereinrichtung zugeordneten Roboter Sprachbefehle zu übermitteln, aufgrund derer der Roboter Werkzeuge und Material in einen oder aus einem Arbeitsbereich befördert.
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Aus der
DE 10 2009 051 148 A1 ist ein Roboterinteraktionssystem bekannt, welches einen Roboter mit einer Robotersteuerung mit eine zugeordnete Mensch-Roboter-Schnittstelle beeinflussenden Betriebsarten und Betriebsmodi umfasst. Letztere sind dabei an unterschiedliche Automatisierungsgrade des Roboters und/oder an unterschiedliche zeitliche und/oder örtliche Positionierungen der Interaktionspartner Mensch und Roboter angepasst beziehungsweise anpassbar. Damit soll eine Lösung zur flexiblen Anpassung eines Roboters oder Robotersystems an unterschiedliche Grade einer Mensch-Roboter-Interaktion geschaffen werden. Die Betriebsarten umfassen unter anderem einen handgeführten und einen halbautomatischen Betrieb des Roboters sowie eine Führung mittels einer Handsteuerung, wobei in jedem Fall die Sicherheit ein wesentliches Merkmal bildet, um den Menschen nicht durch den Roboter zu gefährden.
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Die
WO 2006/105567 A2 offenbart ein Verfahren und eine mobile Bedienvorrichtung zur sicheren Zuordnung der Befehlsgewalt einer Bedienperson zu einer steuerbaren technischen Einrichtung. Die mobile Bedienvorrichtung weist dabei eine Leseeinrichtung auf, welche für die Erfassung von zumindest einer elektronisch lesbaren Markierungskodierung geeignet ist. Damit kann also beispielsweise über eine Schlüsselmarke eine berechtigte Bedienperson identifiziert werden.
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Aus der
DE 10 2008 022 924 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen medizinischen Eingriff bekannt, bei welchen ein medizinisches Instrument an einem in mehreren Freiheitsgraden bewegbaren Roboter anordenbar ist und mit entsprechenden Mitteln eine Bewegung eines Körperbereichs eines Patienten erfasst wird. Das medizinische Instrument ist dann unter Berücksichtigung dieser Bewegung mit dem Roboter in den Körperbereich des Patienten in Richtung eines Zielgewebes führbar, dass heißt die Bewegung des Patienten kann durch den Roboter kompensiert werden.
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Es ergibt sich die objektive technische Aufgabe, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit eines robotischen Geräts zu verbessern, insbesondere in einer Zusammenarbeit mit einer menschlichen Bedienperson zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Die Erfindung betrifft ein robotisches Gerät mit einer kinematischen Kette von mehreren zueinander bewegbaren Komponenten, einer Sensoreinrichtung und einer Steuereinrichtung. Dabei ist die Sensoreinrichtung ausgelegt, eine Kraft und/oder ein Moment zu erfassen, welche oder welches auf zumindest eine der bewegbaren Komponenten ausgeübt wird. Die Steuereinrichtung ist ausgelegt, in Abhängigkeit der von der Sensoreinrichtung erfassten Kraft und/oder des von der Sensoreinrichtung erfassten Moments eine Bewegung der zumindest einen der bewegbaren Komponenten in Richtung der ausgeübten Kraft zu steuern. Das robotische Gerät, genauer zumindest eine der bewegbaren Komponenten des robotischen Geräts, kann somit durch eine Bedienperson geführt werden, in dem diese mit einer Hand eine Kraft auf die bewegbare Komponente in eine gewünschte Richtung ausübt.
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Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit in der Zusammenarbeit mit einer menschlichen Bedienperson zu verbessern, umfasst das robotische Gerät eine erste Erfassungseinrichtung, welche eine Gestenerfassungseinrichtung umfasst oder ist und ausgelegt ist, eine Geste als Bedienhandlung zu erfassen, und welche mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist, für ein berührungsloses Erfassen einer Bedienhandlung der Bedienperson. Insbesondere kann die Gestenerfassung auch eine Kopfgeste oder eine Blickrichtung als Bedienhandlung erfassen. Das hat den Vorteil, dass die Hände einer Bedienperson zum Aktivieren oder Deaktivieren der Constraints, also für das Sperren oder Ermöglichen einer vorbestimmten Bewegung, oder das Vorgeben einer Beweglichkeit, nicht erforderlich sind. Damit muss die Bedienperson eine sonstige, durch die Hände erfolgende Bedienhandlung des robotischen Geräts, oder einen medizinischen Eingriff nicht unterbrechen. Die Bedienperson kann die Zusammenarbeit mit dem robotischen Gerät so auch zeitlich besonders genau steuern.
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Die Steuereinrichtung ist dabei ausgelegt, in einem Normalbetriebsmodus in Abhängigkeit von der von der ersten Erfassungseinrichtung erfassten Bedienhandlung eine Beweglichkeit von zumindest einer der bewegbaren Komponenten vorzugeben, indem zumindest eine der erfassten Bedienhandlung zugeordnete, vorbestimmte Bewegung ermöglicht oder gesperrt wird. Es können also Bewegungsfreiheitsgrade des robotischen Geräts über eine von der ersten Erfassungseinrichtung erfasste Bedienhandlung der Bedienperson von der Bedienperson eingeschränkt oder freigeschaltet werden. Dies kann über sogenannte Active Constraints erfolgen, in welchen die Bewegungsfreiheitsgrade durch ein gezieltes Ansteuern von einem oder mehreren Antriebselementen und/oder einer oder mehreren Bremsen eingeschränkt werden. So können durch ein Blockieren bzw. ein gängig Machen vorgegebener Rotationsachsen der bewegbaren Komponenten Bewegungen des robotischen Geräts gesperrt bzw. ermöglicht werden. Die Steuereinrichtung des robotischen Geräts übernimmt hier das sogenannte Constraint-Handling, also das gezielte Ansteuern. Das hat den Vorteil, dass eine Bedienperson ohne eine augenblicklich durchgeführte Handlung unterbrechen zu müssen, insbesondere ein Führen einer bewegbaren Komponente des robotisches Geräts, die Beweglichkeit des robotischen Geräts beeinflussen kann, insbesondere die Beweglichkeit der geführten bewegbaren Komponente. Gerade wenn eine Bewegung oder ein Manöver, also eine Folge von mehreren unterschiedlichen Bewegungen, wiederholt und in großer Präzision durchgeführt werden muss, kann über ein Einschränken der Beweglichkeit ein fehlerhaftes Durchführen der Bewegung oder des Manövers verhindert und die Genauigkeit in der Zusammenarbeit verbessert werden. Auch kann so einem Ermüden der Bedienperson vorgebeugt werden, da sich diese für das korrekte und/oder schnelle Durchführen der Bewegung weniger konzentrieren muss, sodass die Zuverlässigkeit in der Zusammenarbeit erhöht ist.
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Das robotische Gerät umfasst dabei ein medizinischchirurgisches Gerät. Das hat den Vorteil, dass die Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei einem medizinischen Eingriff oder einem medizinischen Ablauf erhöht wird. Gerade in diesem Bereich können somit für Patienten folgenschwere Ungenauigkeiten oder Fehler vermieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgelegt ist, in Abhängigkeit von der Bedienhandlung zumindest eine Gruppe von Bewegungen zu ermöglichen oder zu sperren. Es können auch gleichzeitig unterschiedliche Gruppen von Bewegungen ermöglicht oder gesperrt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, Translationsbewegungen mit einem Bewegungsanteil, welcher parallel zu einer vorgegebenen Ebene oder Oberfläche verläuft, zu sperren und/oder Translationsbewegungen in einer vorgegebenen Richtung zu sperren. Es kann auch in einer Translationsbewegung mit mehreren Bewegungsanteilen nur ein oder mehrere vorgegebene dieser Bewegungsanteile gesperrt und/oder ermöglicht sein. Wenn es sich bei dem robotischen Gerät um ein medizinisch-robotisches Gerät handelt, kann so beispielsweise ein weiteres Vorschieben in einer Instrumentenachse eines medizinischen Instrumentes, welches an der kinematischen Kette angebracht ist oder Teil der Kette ist, verhindert werden, jedoch ein Wegziehen, also eine Rückwärtsbewegung erlaubt sein. Es können bei einem medizinisch-robotischen Gerät auch Translationsbewegungen mit einem Bewegungsanteil parallel zur Hautoberfläche gesperrt werden. Es können auch Translationsbewegungen mit einer eine vorbestimmte Maximalgeschwindigkeit überschreitenden Geschwindigkeit gesperrt werden und/oder Rotationsbewegungen mit einer eine vorbestimmte Winkelgeschwindigkeit überschreitenden Winkelgeschwindigkeit gesperrt werden. Besonders vorteilhaft ist es auch, Rotationsbewegungen zu sperren, welche nicht um eine vorgegebene Drehachse oder um einen vorgegebenen Drehpunkt erfolgen. Wenn es sich bei dem robotischen Gerät um ein medizinisches robotisches Gerät handelt, können beispielsweise Drehungen nur erlaubt oder zugelassen werden, wenn deren Drehpunkt im sogenannten Trokarzentrum liegt. Das Trokarzentrum ist das Zentrum des Trokars, der, beispielsweise in Form eines Flansches, eine Öffnung oder ein Loch im Körper des Patienten offenhält und durch welchen ein medizinisches Instrument des medizinisch-robotischen Geräts in den Patienten eingeführt ist. Gerade bei den häufiger werdenden minimalinvasiven medizinisch-operativen Eingriffen sind die von dem Trokar offengehaltenen Öffnungen im Patienten sehr klein, so dass ein Bewegen um einen nicht im Trokarzentrum gelegenen Drehpunkt sehr leicht zu einer Verletzung des Patienten führt. Das Ermöglichen oder Sperren von Gruppen von Bewegungen führt also dazu, dass ungewollte Bewegungen, welche beispielsweise zu einem Verletzen eines Patienten führen können, bereits im Ansatz unterbunden werden und somit auch gewünschte Bewegungen des robotischen Gerätes besonders präzise durchgeführt werden können. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem von einer vorgesehenen Bewegungsbahn oder Trajektorie fortführende Bewegungen gesperrt und somit verhindert werden, so dass eine Bedienperson durch eine Art Leitplankeneffekt in der gewünschten Bewegung unterstützt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das robotische Gerät ein Leichtbauroboter mit einer Masse von weniger als 70 kg, insbesondere weniger als 35 kg, ist. Das hat den Vorteil, dass ein ungewolltes Ablenken des robotischen Geräts oder einer bewegbaren Komponente des robotischen Geräts von einem Bewegungspfad, der der gewünschten, idealen Bewegung entspricht, wie es bei einem Leichtbauroboter auf Grund der geringen Masse bereits durch eine geringfügige ungewollte Krafteinwirkung besonders leicht geschieht, verhindert wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Erfassungseinrichtung eine Spracherfassungseinrichtung umfasst, und ausgelegt ist, eine Sprachanweisung als Bedienhandlung zu erfassen. Das hat den Vorteil, dass die Hände einer Bedienperson zum Aktivieren oder Deaktivieren der Constraints, also für das Sperren oder Ermöglichen einer vorbestimmten Bewegung, oder das Vorgeben einer Beweglichkeit, nicht in jedem Fall erforderlich sind. Damit muss die Bedienperson eine sonstige, durch die Hände erfolgende Bedienhandlung des robotischen Geräts, oder einen medizinischen Eingriff nicht unterbrechen. Die Bedienperson kann die Zusammenarbeit mit dem robotischen Gerät so auch zeitlich besonders genau steuern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das robotische Gerät eine weitere mit der Steuereinrichtung gekoppelte Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer weiteren Bedienhandlung umfasst, insbesondere einen Fuß- und/oder Fersenschalter und/oder einen Blickrichtungsdetektor. Die weitere Erfassungseinrichtung kann baulich unabhängig von der ersten Erfassungseinrichtung ausgeführt sein. Die weitere, von den Händen der Bedienperson unabhängige Erfassungseinrichtung verbessert die Zusammenarbeit zwischen robotischem Gerät und Bedienperson weiter.
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Dabei kann die Steuereinrichtung ausgelegt sein, eine von der ersten Erfassungseinrichtung erfasste Bedienhandlung nur zu berücksichtigen, wenn diese innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls mit einer von der zweiten Erfassungseinrichtung erfassten weiteren Bedienhandlung erfasst ist. Das hat den Vorteil, dass ein irrtümliches Vorgeben der Beweglichkeit verhindert wird, da hierfür dann zwei technisch Fehlfunktionen oder zwei ungewollte Bedienhandlungen zusammenkommen müssten. Die Zuverlässigkeit des robotischen Geräts in der Zusammenarbeit wird damit erhöht.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine von der ersten Erfassungseinrichtung erfasste Bedienhandlung in dem Fall, dass die Bedienhandlung ein Sperren einer zugeordneten Bewegung betrifft, nur berücksichtigt wird, wenn diese innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls in einer von der zweiten Erfassungseinrichtung erfassten weiteren Eingabe erfasst ist, und in dem Fall, dass die Bedienhandlung ein Ermöglichen einer zugeordneten Bewegung betrifft, unabhängig von einem Erfassen einer weiteren Eingabe durch die weitere Erfassungseinrichtung berücksichtigt wird. Das hat den Vorteil, dass ein Sperren einer Beweglichkeit wie in der obigen Ausführungsform besonders abgesichert ist, gleichzeitig jedoch ein Freigeben einer Beweglichkeit ohne die Absicherung und damit besonders schnell erfolgen kann. Somit kann in einem Notfall besonders schnell die volle Beweglichkeit wiederhergestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgelegt ist, in einem Notfallmodus die Beweglichkeit der zumindest einen bewegbaren Komponente auf zumindest eine Rückwärtsbewegung zu beschränken. In der Rückwärtsbewegung bewegt sich die zumindest eine bewegbare Komponente der kinematischen Kette, insbesondere ein Endglied der kinematischen Kette, entgegengesetzt zu einer zuletzt durchgeführten Bewegung, insbesondere entgegengesetzt zu einer zuletzt durchgeführten Bewegung entlang einer Trajektorie. In letzterem Fall kann die Bewegung auch mehrere Einzelbewegungen umfassen. Das robotische Gerät kann also in den besagten Notfallmodus umgeschaltet werden. Das hat den Vorteil, dass in einem Notfall besonders schnell und präzise eine Bewegung des robotischen Geräts rückgängig gemacht werden kann. Gerade wenn es sich um ein medizinisch-robotisches Gerät handelt, kann so in einem medizinischen Notfall das medizinischrobotische Gerät besonders schnell und präzise ohne dass sich eine Bedienperson, beispielsweise ein Chirurg oder ein Assistent, auf das Bewegen des medizinisch-robotischen Gerätes konzentrieren müsste, gefahrlos aus einem Patienten entfernt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung eine in das robotische Gerät integrierte Drehmomentsensorikeinrichtung und/oder eine in das robotische Gerät integrierte Kraftsensorikeinrichtung umfasst. Insbesondere können beide Einrichtungen jeweils an der kinematischen Kette in den bewegbaren Komponenten angeordnet sein. Das hat den Vorteil, dass das Vorgeben der Beweglichkeit so besonders schnell und zuverlässig überprüft werden kann und keine weiteren platzraubenden Einrichtungen erforderlich sind.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das robotische Gerät eine mit der Steuereinrichtung gekoppelte Identifikationseinrichtung zum Identifizieren der Bedienperson umfasst und die Steuereinrichtung ausgelegt ist, eine der Bedienhandlung zugeordnete vorbestimmte Bewegung nur zu ermöglichen und/oder zu sperren, wenn die von der Identifikationseinrichtung identifizierte Bedienperson zu einem Ermöglichen und/oder Sperren entsprechend einer vorgegebenen Zuordnung berechtigt ist. Das hat den Vorteil, dass ein Fehlbedienen, also ein irrtümliches Einstellen einer Beweglichkeit, ausgeschlossen ist und überdies ein zuverlässiges Kooperieren des robotischen Geräts mit mehreren unterschiedlichen Bedienpersonen gleichzeitig ermöglicht ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das robotische Gerät Mittel aufweist, um ein Bewegen in einen von einem Menschen eingenommenen Raumbereich zu verhindern und/oder einem Menschen, welcher sich in einem von dem Roboter eingenommenen Raumbereich hinbewegt, auszuweichen oder nachzugeben, sodass insbesondere das robotische Gerät für eine Mensch-Roboter-Kooperation geeignet ist. Die Mittel können beispielsweise Kameras und/oder Drucksensoren an einer Außenfläche des robotischen Gerätes umfassen, wie sie zu dem Zweck einer Mensch-Roboter-Kooperation aus dem Stand der Technik bekannt sind. Das robotische Gerät beziehungsweise eine bewegbare Komponente des robotischen Geräts kann somit gefahrlos durch eine Bedienperson geführt und damit gesteuert werden. Das hat den Vorteil, dass das robotische Gerät besonders flexibel an die wechselnden Anforderungen der Mensch-Roboter-Kooperation angepasst und leicht in unterschiedlichen Szenarien genutzt werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsformkann das medizinisch-robotische Gerät eine mit der Steuereinrichtung gekoppelte Detektionseinrichtung umfassen, mittels welcher zumindest eine Bewegung zumindest eines Teilbereichs eines Patienten erfassbar ist. Überdies kann die Steuereinrichtung dann ausgelegt sein, in einem Kompensationsmodus zusätzlich zu dem in dem Normalbetriebsmodus vorgenommenen Vorgeben der Beweglichkeit der bewegbaren Komponente die Bewegung des Teilbereichs des Patienten durch ein Bewegen von zumindest einer bewegbaren Komponente unabhängig von der eingestellten Beweglichkeit auszugleichen. Es ist somit eine Beweglichkeit auch relativ zu einem sich bewegenden Teilbereich eines Patienten einstellbar ist. Das hat den Vorteil, dass ein Einstellen einer Beweglichkeit nicht zu einer Verletzung des Patienten durch ein Bewegen des Patienten führen kann. Somit ist die erhöhte Präzision und Zuverlässigkeit des robotischen Geräts auch im Falle eines sich bewegenden, beispielsweise atmenden, Patienten erreicht.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines robotischen Gerätes. Das robotische Gerät weist hier eine kinematische Kette von mehreren zueinander bewegbaren Komponenten, eine Sensoreinrichtung, welche eine auf zumindest eine der bewegbaren Komponenten des robotischen Geräts ausgeübte Kraft erfassen kann, und eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von einer durch die Sensoreinrichtung erfassten Kraft eine Bewegung der bewegbaren Komponente in Richtung der ausgeübten Kraft steuert, auf. Das robotische Gerät umfasst zudem ein medizinisch-robotisches Gerät. Das Verfahren ist dabei gekennzeichnet durch die Schritte eines berührungslosen Erfassens einer Bedienhandlung einer Bedienperson durch eine erste als Gestenerfassungseinrichtung ausgebildete Erfassungseinrichtung und eines Vorgebens einer Beweglichkeit von zumindest einer bewegbaren Komponente in einem Normalbetriebsmodus in Abhängigkeit von der erfassten Handlung durch die Steuereinrichtung, indem zumindest eine der Bedienhandlung zugeordnete vorbestimmte Bewegung ermöglicht oder gesperrt wird. Vorteilhafte Ausführungen und Vorteile entsprechen hier den vorteilhaften Ausführungen und Vorteilen der Vorrichtung.
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Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Schnittdarstellung eines beispielhaften medizinisch-robotischen Gerätes bei einem beispielhaften operativen Eingriff.
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In der Figur ist ein Teil eines robotischen Geräts 1 schematisch in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Das robotische Gerät 1 ist vorliegend ein als Leichtbauroboter ausgeführtes medizinisch-robotisches Gerät mit weniger als 30 kg Masse. Es hat eine kinematische Kette, welche vorliegend drei bewegbare Komponenten 2, 3, 4 umfasst. Diese bewegbaren Komponenten 2, 3, 4 sind über Gelenke 5, 6 miteinander gekoppelt. In der gezeigten Darstellung ermöglichen diese Gelenke eine Rotation um Rotationsachsen, welche in der gezeigten Konfiguration senkrecht zur Zeichenebene in einer z-Richtung verlaufen. Es sind hier jedoch auch beliebige andere Rotationsachsen denkbar. Es können für die Gelenke 5, 6 auch Kugelgelenke oder eine Kombination von Gelenken, welche in unterschiedlichen Raumrichtungen orientiert sind, eingesetzt werden. Die Gelenke 5, 6 weisen im gezeigten Beispiel Sensoren einer Sensoreinrichtung 7 auf, mit welcher hier ein Drehmoment, welches an den Gelenken 5, 6 anliegt, erfasst wird. Das Drehmoment kann z.B. von einer Bedienperson bewirkt sein.
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Die Sensoreinrichtung 7 ist mit einer Steuereinrichtung 8 gekoppelt, welche beispielsweise über in den Gelenken 5, 6 angeordneten Aktuatoren und/oder Bremsen die bewegbaren Komponenten 2, 3, 4 des robotischen Geräts 1 steuern beziehungsweise eine Bewegung dieser Komponenten steuern kann. Die Steuereinrichtung 8 wiederum ist mit einer Erfassungseinrichtung 9 gekoppelt, welche vorliegend als Spracherfassungseinrichtung zum Erfassen einer Spracheingabe einer Bedienperson ausgestaltet ist. Durch die Steuereinrichtung 8 kann im gezeigten Beispiel die Beweglichkeit der bewegbaren Komponenten 2, 3, 4 um die jeweiligen Achsen der Gelenke 5, 6 vorgegeben werden, in dem durch eine Spracheingabe sogenannte Constraints aktiviert werden, das heißt bestimmte Bewegungen oder Bewegungsklassen gesperrt werden. Wird eine gesperrte Bewegung wieder freigegeben, so ist darin ein Deaktivieren des entsprechenden Constraints zu sehen. So wird ein Bewegen des robotischen Geräts 1 oder einer der bewegbaren Komponenten 2, 3, 4 des robotischen Geräts 1, beispielsweise über ein Bewirken einer Kraft und damit eines Drehmoments auf das robotische Gerät 1 durch eine Bedienperson, verhindert, wenn diese Bewegung den per vorliegend Spracheingabe verbotenen Bewegungen entspricht. Es können also unerwünschte oder zufällige Bewegungen a priori verhindert werden.
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Im gezeigten Beispiel bildet die letzte bewegbare Komponente 4 der kinematischen Kette ein funktionales Endglied, welches vorliegend eine Zange 10 umfasst. Diese befindet sich hier bereits im Inneren eines Patienten 11 und ist über eine Öffnung 13 in den Patienten 11 eingeführt. Diese Öffnung 13 wird im gezeigten Beispiel von einem sogenannten Trokar 15, einer Art Schleuse oder Flansch, offengehalten. Die Öffnung 13 ist so in der Hautoberfläche 14 des Patienten 11 offengehalten. Die Mitte des Trokars 15 wird als Trokarzentrum 16 bezeichnet. Dieses ist von besonderem Interesse, da Rotationen um das Trokarzentrum 16 als Drehpunkt für den Patienten 11 besonders vorteilhaft sind, da die als Endglied ausgeführte bewegbare Komponente 4 bei derartigen Rotationen nicht an den Trokar 15 beziehungsweise Rand der Öffnung 13 stößt und hier somit keine ungewollte Verletzung an dem Patienten 11 hervorrufen kann.
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Die Zange 10 umgreift beispielsweise ein Blutgefäß 12. Dieses wird so durch das robotische Gerät 1 in einer Position fixiert und die Bedienperson, beispielsweise ein Chirurg, kann an dem Blutgefäß 12 oder einem damit verbundenen Organ, einen operativen Eingriff durchführen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind vorliegend weder die Bedienperson noch weitere medizinische Geräte oder von dem Chirurgen geführte Geräte dargestellt. Will der Chirurg nun beispielsweise im Rahmen es Eingriffs das Blutgefäß 12 repositionieren, kann die Verletzungsgefahr des Patienten 11 reduziert werden, indem die Bedienperson die Beweglichkeit des robotischen Geräts 1 über eine Geste und gegebenenfalls einen Sprachbefehl einschränkt. Will der Chirurg das Blutgefäß 12 nun repositionieren, so kann er z.B. durch eine Hand eine Kraft auf die Zange 10 oder die als Endglied ausgeführte bewegbare Komponente 4 ausüben, so dass die Steuereinrichtung 8 die bewegbare Komponente 4 in Richtung der Krafteinwirkung bewegt. Um jedoch eine Verletzung des Patienten 11 zu verhindern, kann der Chirurg bei der vorliegenden Ausführungsform des robotischen Geräts 1 per Geste und gegebenenfalls Sprachbefehl zuvor die Beweglichkeit des robotischen Geräts einschränken.
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Im gezeigten Beispiel ist die Steuereinrichtung 8 ausgelegt, nach einer entsprechenden Bedienhandlung Translationen der als Endglied ausgeführten bewegbaren Komponente 4 vorliegend parallel zu der Hautoberfläche 14, also vorliegende in x- und z-Richtung, zu sperren. Im gezeigten Beispiel sind somit nur Translationen senkrecht zur Hautoberfläche, also in y-Richtung, erlaubt. Um nun dennoch das Blutgefäß 12 in eine x-Richtung verschieben zu können, muss durch das robotische Gerät eine Rotation um eine Rotationsachse, welche parallel zur Hautoberfläche 14 und senkrecht zur x-Achse verläuft erfolgen. Auch ist die Steuereinrichtung 8 vorliegend ausgelegt, eine Rotation der als Endglied ausgeführten bewegbaren Komponente 4 nach einem Aktivieren der entsprechenden Ein- oder Beschränkung, des Constraints, nur um eine vorgegebene Rotationsachse beziehungsweise einen vorgegebenen Drehpunkt zu erlauben. Im gezeigten Beispiel ist der vorgegebene Drehpunkt das Trokarzentrum 16, da bei einer Rotation um diesen Punkt die Hautoberfläche 14 durch die Rotation der bewegbaren Komponente 4 nicht verletzt wird. Genau diese letztgenannte Beschränkung der Beweglichkeit einer spezifischen Komponente, hier der bewegbaren Komponente 4, wird der Chirurg im gezeigten Beispiel per Sprachbefehl aktivieren, wenn er das Blutgefäß 12 in x-Richtung bewegen will. Die gewünschte Bewegung des Blutgefäßes 12 durch das robotische Gerät 1 erfolgt so ohne dabei den Patienten zu verletzen. Zusätzlich kann im gezeigten Beispiel auch die Geschwindigkeit einer Rotation begrenzt werden oder ein weiteres Vorschieben der als Endglied ausgeführten bewegbaren Komponente 4 in die Instrumentenachse A, also im gezeigten Beispiel ein weiteres Vorschieben der bewegbaren Komponente 4 in der Instrumentenachse A des medizinischen Instruments an deren Ende in Richtung Patient 11.
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Die Steuereinrichtung 8 kann im gezeigten Beispiel auch in einen Notmodus versetzt werden, in welchem Rückwärtsbewegungen, also Bewegungen, welche einem Entfernen eines Endglieds der kinematischen Kette beziehungsweise eines an diesem Endglied befestigten medizinischen Instruments wie der Zange 10 oder sonstigen Werkzeuges aus dem Patienten 11 oder einem bearbeiteten Werkstück dienen, durch das robotische Gerät 1 durchgeführt werden. Alle anderen Translations- und Rotationsbewegungen hingegen sind in diesem Notmodus verboten. Dies kann beispielsweise über einen Speicher realisiert werden, welcher der Steuereinrichtung 8 eine Information über die durchgeführten Bewegungen bereitstellt, welche dann im Notmodus invers durchlaufen werden können. Im dargestellten Beispiel ist im Notmodus somit eine Translation entlang der Instrumentenachse A aus dem Patienten 11 hinaus erlaubt. Wenn die Steuereinrichtung 8 ausgelegt ist, Bedienhandlungen nur nach vorheriger Freigabe durch eine weitere Eingabe, beispielsweise einen Fußschalter oder einen Fersenschalter, zu verarbeiten, so kann beispielsweise zur Erhöhung der Sicherheit der Notmodus über eine Geste und gegebenenfalls eine Spracheingabe ohne zusätzliche Absicherung durch die weitere Eingabe aktiviert werden. Es ist auch möglich, die Steuereinrichtung 8 derart auszulegen, dass ein Aktivieren eines Constraints, also ein Einschränken oder Sperren einer Beweglichkeit, nur mit der weiteren Eingabe durch beispielsweise den besagten Fußschalter oder Fersenschalter erfolgen kann, ein Deaktivieren eines Constraints, also ein Wiederherstellen der Beweglichkeit, jedoch auch alleine mit einer Geste und gegebenenfalls einem Sprachbefehl Durchgeführt werden kann.
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Die Steuereinrichtung 8 ist im gezeigten Beispiel weiterhin ausgelegt, eine Bewegung des Patienten 11 oder eines Teilbereichs des Patienten 11 auszugleichen. Im gezeigten Beispiel ist eine Atembewegung des Patienten 11, welche ein Verschieben des Brustkorbs und damit der Hautoberfläche 14 als Teilbereich des Patienten 11 hier parallel zur x-Richtung bewirkt, durch den Doppelpfeil 17 symbolisiert. Die Steuereinrichtung 8 kann in diesem Beispiel durch einen Sprachbefehl so eingestellt werden, dass sie die Bewegung des Teilbereichs des Patienten 11, hier seine Atembewegung, kompensiert. Damit ist vorliegend das Blutgefäß 12 nicht in einer absolut definierten Position fixiert, sondern in einer Position, welche relativ zu dem bewegten Teilbereich des Patienten 11, vorliegend der Hautoberfläche 14, definiert ist. Die aus dieser Einschränkung oder Vorgabe resultierenden Bewegungen des robotischen Geräts 1 unterliegen dabei nicht den Einschränkungen der Beweglichkeit der bewegbaren Komponenten 2, 3, 4. Ist also beispielsweise eine Bewegung der als Endglied ausgeführten bewegbaren Komponenten 4 parallel zur Hautoberfläche 14 in der x-Richtung gesperrt, und bewegt sich im gezeigten Beispiel die Hautoberfläche und damit die Öffnung 13 in dieser Richtung, so wird das robotische Gerät 1 trotz der eingeschränkten Beweglichkeit in dieser Richtung in diese Richtung bewegt, um die Atembewegung des Patienten 11 auszugleichen.
