WO2016120110A1 - Teleoperationssystem mit intrinsischem haptischen feedback durch dynamische kennlinienanpassung für greifkraft und endeffektorkoordinaten - Google Patents

Teleoperationssystem mit intrinsischem haptischen feedback durch dynamische kennlinienanpassung für greifkraft und endeffektorkoordinaten Download PDF

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force
slave
kinematic
gripping force
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Carsten Neupert
Christian Hatzfeld
Sebastian Matich
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Technische Universität Darmstadt
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    • G05B2219/40138—Scaled feedback of forces from slave to master and master to slave

Definitions

  • the invention relates to a teleoperation system based on a master-slave structure.
  • Teleoperations system for a medical application The
  • Teleoperation system should provide haptic feedback
  • Telemanipulation systems hereinafter also called teleoperation systems, which can be referred to as a remote-controlled system.
  • Telemanipulation systems hereinafter also called teleoperation systems, which can be referred to as a remote-controlled system.
  • haptic comes from the Greek. He means
  • Perception They feel in a certain way. A table surface can be smooth or rough. It is therefore a perception, which is primarily done by the fingers of the hand.
  • the pseudo-haptic feedback is passed to the user
  • haptic impression e.g. the information on a screen gives the user the impression that there is haptic feedback, which is actually not the case or only minimal.
  • Structure includes the master at which the doctor sits, one
  • the operating unit preferably contains two operating means for the left and right hand (left, right).
  • the doctor interacts with the operating means.
  • the operating area is presented to the user through a visual user interface, such as a screen.
  • the doctor should see on the screen only the operating area, or the end effector.
  • it can be advantageous if you do not see your own hands during teleoperation.
  • it is particularly advantageous in the case of pseudo-haptics, if one can not see one's own fingers, since this avoids the irritation caused by the missing or expectation-deviating movement (deflection) of the finger.
  • FIG. 1 shows a corresponding one
  • the slave also referred to as a single-port robot, consists of a drive unit.
  • the movements generated in the drive units control two parallel kinematic manipulators (left / right) via drive struts. At the top of each
  • Manipulator is the Tool Center Point (TCP) which is used to hold surgical tools (end effector), and For example, it can be positioned in the situs.
  • the slave has one or more drives, which are arranged as distally as possible distally of the end effector in the extension of the drive struts of the parallel kinematic manipulator in order to
  • the slave further comprises a camera, lighting means and preferably one
  • FIG. 2 shows the system structure of a conventional system.
  • This system consists of an impedance system called a master, and an admittance system called a slave, also called a slave.
  • the master system comprises a man-machine interface, which as a rule consists of a screen and corresponding input means.
  • the user gives position instructions to the slave via a kinematic structure. About appropriate position sensors, these are connected to a
  • Guided control unit which then drives one or more actuators, or which is arranged in the slave.
  • the actuator in turn controls a kinematic structure, which then has a
  • the aim of the invention is now to ensure a realistic pseudohaptic feedback, without integrating a (further) actuator in the user interface for the active generation of the haptic feedback. Likewise, by this method on a
  • the aim of the invention is the generation of a pseudohapti Service
  • a slave having a drive unit which drives a cross-end effector, a kinematic one
  • Coordinate of the end effector and a gripping force F effector can be determined
  • the kinematic coordinate is, for example, a closing angle for a rotational freedom line or a travel path for the translational freedom line of the end effector.
  • Locking angle Phi used representative of the class of end effectors described above, it should thus also include the kinematic coordinate. This is the case in particular if the end effector is not closed in a scissor-like or rotational manner via a joint, but over an e. G. linear travel path.
  • the drive unit is also called actuator and may be one or more motors with and / or without transmission or clutch. This motor is located in a slave housing, preferably away from the tissue to prevent contamination. The motor drives the end effector, and in particular its gripper. It should be noted that there are other engines for more
  • a camera which is preferably integrated in the slave, and which is aligned with the end effector.
  • the camera may also be attached to another device, but should allow a view of the end effector and its gripper.
  • the camera allows a visual feedback.
  • the Camera image an additional digital representation of the current End binorkoordinate be superimposed. (Angle, strokes that move on each other, a stylized gripper that moves, gradients, distances, deflections)
  • the force acting on the end effector can also be represented on the display. This would lead to an "augmented reality".
  • the master has at least one operating unit, on which a user can exercise a gripping force F G.
  • Control unit Two control devices that are used for the right and the left hand. With these control units can
  • Movements are performed, which are usually executable in several dimensions.
  • the gripping with the end effector with the gripping force F G is usually carried out by a pressure with the fingers on a pressure range in the operating means of
  • the master includes a visual user interface that displays the image of the camera and thus allows feedback.
  • the information of the gripping force is first transmitted to the control computer.
  • the control computer converts the gripping force depending on the given mathematical relationship into one
  • F G is linearly dependent on the closing angle / a kinematic coordinate
  • the closing angle is determined by the gripping force on the operating means and by the force which is determined at the end effector. The larger both forces are, the smaller the angle between the two grippers of the end effector. In particular, the larger the ratio between the two, the greater the closing angle.
  • effector is determined by one or more of the following approaches:
  • parallel kinematic manipulator that measures forces and moments in the struts and / or bearing reaction forces in the joints of the parallel kinematic structure. This can e.g. be detected uniaxially in the struts or in one place multidimensional.
  • the operating unit is configured to:
  • the operating means as rigid as possible and has only the necessary flexibility for gripping force detection.
  • the user interface should be rigid in order to obtain the following advantages (do not allow deflection in the pseudohaptic degree of freedom)
  • the operating means can also be designed with constant compliance and thus for a defined deflection. This may provide better (more realistic) results for the degree of freedom of the pseudo-haptic feedback, but will lose the previously described benefits to the overall system.
  • the determination of the gripping force F G is effected by deriving the interaction force between the operating means and the user by one or more of the following methods:
  • the teleoperation system can have one of the following dependencies, where
  • F G Kinematic coordinate + F e f fector
  • F G Kinematic coordinate * (F e fector + F min ) + F G _ offset
  • F min is the force to initially move the effector
  • F G offset is the force to address the sensor in the control unit to let.
  • Other dependencies, in particular linear, are also conceivable. It should be noted that the formulas are intended to represent only the fundamental dependence. Here, alternative parameters can be taken into account that are not yet included here. These include scaling factors of the individual forces as well as scaling factors for adapting the units in the equation and adapting them to any one
  • the kinematic coordinate may be represented among others by the closing angle of an end effector.
  • End monomers their purpose, in which an increase in the effective end effector interaction force leads to a greater necessary gripping force of the user to cause a further increase in the kinematic coordinate.
  • the selected relationship and the scaling factors are to be selected as a function of the environment manipulated by the end effector.
  • Pseudohaptic feedback works up to a frequency of about 10 Hz. This barrier results from the ability of man himself to consciously apply forces and movements up to this
  • tactile haptic feedback can be output.
  • User interface which couples a directed or undirected haptic feedback to the user.
  • a unit for generating a tactile haptic feedback on the operating unit or operating means is used, wherein a signal is detected by a sensor in the slave, which is sent to the unit for generating a tactile haptic feedback, the spectral components
  • This signal is preferably in the range of up to 50-1000 Hz.
  • the output of the previously described tactile haptic feedback can be done by:
  • the above-mentioned elements are designed such that the acting force direction of the unit for generating a tactile haptic feedback exert no or only minimal forces in the direction of the gripping force F G in order to reduce control-technical instabilities in the system.
  • “Notch filter”"high-frequency” tactile output sizes (Narrow-band filters or notch filters) in order to obtain the control engineering stability in the haptic system.
  • a notch filter By using a notch filter, a narrow-band elimination of a certain frequency is possible. This can be adapted adaptively to the frequency of the tactile feedback.
  • the position command signals may also be filtered by a low pass filter having a cutoff frequency below the typical tactile feedback frequencies, eg, 40 Hz, to thereby separate the frequency ranges of the channels.
  • the sensor is in the slave
  • Actuators are used. High-frequency signals can also be derived from force sensors that have already been described. One could also imagine using surface acoustic wave (SAW) sensors to detect surface vibrations in the kinematic components or at the end effector.
  • SAW surface acoustic wave
  • Another part of the invention is the construction of the slave for a teleoperation system, e.g. as described above.
  • the slave can also be used for other systems and is not limited to a teleoperation system and vice versa.
  • Components can also be used in other combinations
  • the slave includes
  • Push rods may be possible, even their arrangement can
  • An end effector which is respectively connected via kinematic chains to the push rods, wherein the kinematic chains are formed so that the end effector is alignable in three dimensions and is obvious and closable, by translation or rotation of the push rods.
  • a kinematic chain which is formed as a main chain whose rotation leads to a rotation of the end effector and whose displacement leads to a displacement of the end effector.
  • chains which are formed as side chains, the displacement of which leads to a displacement of the end effector, and whose rotation leads to an opening or closing or bending of the end effector.
  • Reshaping linear motion that opens or closes or angles the end effector.
  • the kinematic main chain preferably has four degrees of freedom and / or the kinematic side chain preferably six degrees of freedom.
  • the secondary chain is preferably connected to the main chain or its push rod via pivot joints, wherein the rotary joints are formed as U-shaped clasp elements.
  • Teleoperation systems in terms of regulatory stability advantages over conventional haptic teleoperation on.
  • FIG. 1 shows the structure of an exemplary teleoperation system based on a master-slave structure
  • Fig. 2 shows the system structure of a conventional one
  • Fig. 3 shows the system structure of a "pseudohaptic" system
  • Fig. 4 shows the system structure of a combined
  • Fig. 5 shows an end effector with different positions of the gripping arms
  • Fig. 6 shows an end effector with fully opened gripping arms
  • Fig. 7 shows an end effector with partially closed
  • Fig. 8 shows an end effector with completely closed
  • Fig. 9 shows an end effector without force between the
  • Fig. 10 shows an end effector with acting end effector
  • Fig. 11 shows a control means designed as rigid in the master and the direction of the gripping force under the intervention of the user;
  • FIG. 12 shows an operating means designed with defined compliance as well as the direction of the gripping force under the intervention of the user;
  • FIG. Fig. 13 shows the relationship between gripping force and
  • Characteristic 1 and characteristic two differ by the predetermined force F min ;
  • Fig. 14 shows, in contrast to Figure 13, the relationship between gripping force and closing angle from an optionally usable offset the gripping force;
  • Fig. 15 shows the haptic perceivable gripping force difference with visually perceived same End monoorsch fundamentalwinkel by varying the coupling characteristic between gripping force and
  • Closing angle shows an exemplary characteristic curve with the influence of different acting end effector gripping forces on the basis of the multiplicative evaluation of the relationship between gripping force and closing angle with the acting end effector gripping force.
  • Fig. 18 shows the embodiment of the slave consisting of
  • Push rods 4 camera channel 5, shaft 6 and drive unit 7;
  • FIG. 19 shows an enlargement of the embodiment in FIG. 18 with end effector 1, TCP 2, parallel kinematic mechanism 3, FIG.
  • Push rods 4 camera channel 5, shaft 6;
  • Fig. 20 shows the embodiment of a Whomitteies with
  • Fastening element 5 for attachment to the TCP of the operating means, force sensor elements 6 between handle elements and base of the operating means;
  • Fig. 23 shows a detailed structure of the slave.
  • Manipulator and provides the user with the interaction forces between the end effector of the intracorporeal manipulator and tissue as a haptic and pseudo haptic feedback on the control unit.
  • Figure 1 shows the structure of a beispielari see
  • Teleoperation system based on a master-slave structure with master 1, operating unit 2, operating means 3, visual
  • the slave is shown in FIG. It consists of a parallel kinematic mechanism on whose TCP an end effector is mounted.
  • the position of the TCP and thus the position of the end effector can be adjusted by the defined longitudinal displacement of the push rods.
  • the individual push struts become moved by separate actuators in the drive unit.
  • the shaft of the slave contains a channel for a camera and a working channel.
  • the end effector consists of two gripping arms between which the end effector gripping force ( effector F) acts.
  • Locking angle (Phi) is the angle between the two gripping arms of the effector. Both the acting force (F effector ) and the closing angle (Phi) are thus determined resp. detected . In addition to the force between the end effector grippers ( effector ), the interaction forces between the end effector and the environment are derived. With a suitable cable is the slave with the
  • FIGS. 2 and 3 show, by comparison, the difference of a conventional system from the system of the present invention. It can be seen here that feedback on actuators is not given in the present invention.
  • Fig. 4 shows the
  • the master consists of two control units according to FIG. 20 for the left and the right hand. These operating units have a
  • Operating means is connected to the control unit at the TCP of the kinematics of the operating unit. By user input into the operating means and thus in the operating unit control signals for the slave are entered into the system. By mounted in the base of Whymitteies actuators can be a haptic feedback with respect to the
  • FIG. 18 shows an embodiment of the slave consisting of end effector 1, TCP 2, parallel kinematic mechanism 3, Push rods 4, camera channel 5, shaft 6 and a drive unit 7.
  • FIG. 19 describes an enlargement of the embodiment in FIG. 18 with end effector 1, TCP 2, parallel kinematic
  • Mechanism 3 push struts 4, camera channel 5, shaft 6.
  • Fig. 20 shows the embodiment of a Whomitteies with
  • 21 shows the embodiment of a rigid operating means with gripping elements 1, 2, fingers 3, base 4 of the operating means,
  • Fastening element for fastening 5 to the TCP of the operating means on the operating unit, force sensor elements 6 between handle elements and base of the operating means.
  • Position measurement of moving elements of the operating means uses the gripping force of the user.
  • a force sensor system for detecting the gripping force is used in the operating means (for example, see FIGS. 12 and 22).
  • the behavior of the end effector in the form of a (linear) characteristic phi (F G ) can be influenced and adjusted in accordance with the situation by setting the necessary gripping force F G;! Riax for completely closing the end effector (FIGS. 13-17).
  • a haptic sense impression is created by the correlation of gripping force applied in the user interface and the visually perceived closing angle of the end effector. See the Fig. 7-9.
  • the force F G or F grei f is determined as shown in Fig.1 1, 1 2 shown on the operating means.
  • the characteristic curve (FIGS. 13-17) can be varied, which represents the relationship between gripping force on the user interface and the closing angle of the end effector (see FIGS. 5-1 0).
  • the two cases describe a different weighting of the respective acting
  • Interaction force F e fector is material dependent among other things.
  • FIG. 16 shows an exemplary characteristic curve with the influence of different acting end effector gripping forces on the basis of the multiplicative evaluation of the relationship between gripping force and closing angle with the acting one
  • Characteristic 0 shows the course of the
  • Characteristics 1 and 2 show the course of the coupling characteristic for gripped materials of different stiffnesses.
  • Characteristic 3 shows the course of a characteristic in the case of the end effector gripping force maximum possible power of action is so high that the
  • FIG. 17 shows, in contrast to FIG. 16, the characteristic curve when different end effector gripping forces are influenced on the basis of the additive evaluation of the relationship between gripping force and closing angle with the acting end effector gripping force.
  • Characteristic 2 describes the engagement on a stiffer compared to characteristic 1 material
  • the haptic feedback of the gripping force is shown in this way
  • the measurement of high frequency signals could be made by measuring accelerations with miniaturized, sterilizable in
  • Teleo tion systems with haptic feedback can not only be extended pseudohaptically executed degree of freedom of the haptic perceptible area with the invention presented here but also the design effort of the entire operating means can be reduced.
  • serially arranged actuators a frequency distribution for the haptic feedback is possible, Instead of a large bandwidth actuator with large necessary deflections in the base of the operating means of the high-frequency portion of the haptic feedback is generated by a dynamic actuator with small deflections.
  • the expense of the sensor system is reduced to the effect that multidimensional, highly dynamic force sensor system by a one-dimensional force sensor and a Madimensiona
  • FIG. 23 shows one of two parallel kinematic mechanisms of the slave, which will also be referred to below as a manipulator.
  • Each manipulator has up to six degrees of freedom, so that the TCP 1 can be positioned in the room.
  • an end effector 2 fastened to the TCP can be rotated about its longitudinal axis 3, angled (Abw) and its closing angle (Phi)
  • the parallel kinematic mechanism consists of kinematic chains composed of rigid or flexible struts and joints. In general, for the realization of the
  • the movements generated are transmitted via three push rods 4 in the intracorporeal area.
  • Two active degrees of freedom in the form of translation ql0-q30 and rotation q40- q60 are transmitted via a push rod.
  • the movements provided intracorporeally are reshaped by the parallel kinematic mechanism, which consists of a kinematic main chain 18 and up to four kinematic side chains 8, 9, 14, 15 such that a displacement of the push rods leads to a change in position of the TCP, a rotation of the main chain q40 rotates the end effector around its longitudinal axis at will and a rotation q50 and q60 opens or closes and angles the gripper. This is e.g. achieved by corresponding spindles, which are also visible in FIG.
  • the parallel kinematic mechanism consists of a tripod-like substructure, which results from the kinematic structure
  • Main chain 18 with four degrees of freedom and two kinematic side chains 8, 9 composed of six degrees of freedom. These kinematic chains are connected to the main shaft 5 via hinges. In order to prevent jamming, these joints are realized as U-shaped clasp elements 6, 7. The rotation of the The main chain is forwarded directly to the end effector via a universal joint at the base so that it can be rotated arbitrarily about its longitudinal axis.
  • limiting forces are integrated in the third and fourth side chains. To prevent jamming of the carriage elements, they are also designed as a U-shaped clip. The occurring within the hinges 12, 13 friction torque is on the
  • Each of the displacements generated on the main shaft moves a push rod within the main shaft, this movement being directed onto either one of the two jaws of the end effector, e.g. by means of a
  • Cam or a bell crank 16, 17 is transmitted.
  • the push rods are guided over a slot with respect to the main shaft and locked against rotation by means of a pin. To maintain the rotation of the main shaft, the am
  • the described parallel kinematic mechanism has the following transmission properties:
  • the position of the TCP is independent of the rotations q40- q60 and becomes alone from the shifts ql0-q30
  • the push rods are arranged colinear, so that the
  • the opening angle and the angle are mainly determined by the rotations q50 and q60.
  • stops (20) are attached to the ends of the push rods.

Abstract

Teleoperationssystem umfassend: -einen Slave, der eine Antriebseinheit aufweist, die einen greifenden Endeffektor antreibt, wobei eine kinematische Koordinatedes Endeffektors und eine Greifkraft Feffektor bestimmbar ist -mit einer Kamera, die vorzugsweise im Slave integriert ist, und die auf den Endeffektor ausgerichtet ist, -einen Master, der mit dem Slave entfernt verbunden ist, mit mindestens einer Bedien-Einheit, auf die ein Benutzer eine Greifkaft FG ausüben kann, wobei die Greifkraft an den Slave übertragen wird, und mit einem visuellen Nutzerinterface, das das Bild der Kamera darstellt, wobei gilt, dass FG linear abhängig von der kinematischen Koordinateund Feffektor ist

Description

Teleoperationssystem mit intrinsischem haptischen Feedback durch dynamische Kennlinienanpassung für Greifkraft und
Endeffektorkoordinaten
Die Erfindung betrifft ein Teleoperationssystem auf Basis einer Master-Slave Struktur.
Hintergrund der Erfindung
Hintergrund der Erfindung ist die Entwicklung eines
Teleoperations Systems für eine medizinische Anwendung . Das
Teleoperationssystem soll dabei haptisches Feedback zur
Darstellung von Interaktionskräften vorzugsweise zwischen einem Endeffektor und dem umgebenden Gewebe bereitstellen , Für den Einsatz in der Chirurgie existieren
Telemanipulationssysteme im Folgenden auch Teleoperationssysteme genannt, die als ferngesteuertes System bezeichnet werden können. Insbesondere die beschränkte Einbindung von Haptik und die
Ausführung als reines Telemanipulationssystem sind Limitierungen für einen weiterreichenden Einsatz in chirurgischen Fächern. Durch den Einsatz von Leichtbaurobotik mit umfangreicher integrierter Kraft-/Momenten-Sensorik sind völlig neuartige Ansätze für chirurgische Eingriffe möglich. Die Integration haptischer
Prozesse im Kontext therapeutischer und diagnostischer Konzepte in der Medizin stellt die nächste Stufe für eine intuitive Mensch-
Maschine-Schnittstelle dar. Auch die Erweiterung der reinen
Telemanipulation zu einer Teleoperation mit der Integration autonomer Teilverrichtungen entlastet den Arzt von konzentrationsmindernden Routinen .
Der Begriff Haptik kommt aus dem Griechischen. Er bedeutet
"fühlbar" oder "zum Berühren geeignet". Prinzipiell bieten also erst einmal alle Medien die Möglichkeit der haptischen
Wahrnehmung. Sie fühlen sich auf eine bestimmte Art und Weise an. Eine Tischoberfläche kann glatt oder rau sein. Es handelt sich somit um eine Wahrnehmung, die primär durch die Finger der Hand erfolgt .
Bei dem pseudo-haptischen Feedback wird dem Benutzer über
zusätzliche visuelle Informationen ein haptischer Eindruck vermittelt. So können z.B. die Informationen auf einem Bildschirm für den Benutzer den Eindruck vermitteln, dass ein haptisches Feedback vorliegt, was tatsächlich nicht der Fall ist oder nur minimal .
Bei einem Teleoperationssystem auf Basis einer Master-Slave
Struktur umfasst der Master, an dem der Arzt sitzt, eine
Bedieneinheit. Die Bedieneinheit beinhaltet vorzugsweise zwei Bedienmittel für die linke und rechte Hand (links, rechts) . Der Arzt interagiert mit dem Bedienmittel. Das Operationsgebiet wird dem Nutzer durch ein visuelles Nutzerinterface, beispielsweise einen Bildschirm, dargestellt. Der Arzt sollte auf dem Bildschirm nur das Operationsgebiet, bzw. den Endeffektor sehen. Für eine intuitive Bedienung kann es dabei von Vorteil sein, wenn man bei der Teleoperation seine eigenen Hände nicht sieht. In diesem Fall ist es vor allem bei der Pseudohaptik von Vorteil, wenn man seine eigenen Finger nicht sehen kann, da damit die Irritation durch die fehlende oder von der Erwartung abweichende Bewegung (Auslenkung) des Fingers ausbleibt. Die Figur 1 zeigt ein entsprechendes
System .
Der Slave, auch als Single-Port Roboter bezeichnet, besteht aus einer Antriebseinheit. Mit den in den Antriebseinheiten erzeugten Bewegungen werden über Antriebsstreben zwei parallelkinematische Manipulatoren (links/rechts) gesteuert. An der Spitze jedes
Manipulators befindet sich der Tool Center Point (TCP) der zur Aufnahme von chirurgischen Werkzeugen (Endeffektor) dient, und beispielsweise im Situs positioniert werden kann. Der Slave weist einen oder mehrere Antriebe auf, die entfernt vom Endeffektor in der Verlängerung der Antriebsstreben des parallelkinematischen Manipulators möglichst distal angeordnet sind um bei der
Sterilität keinen negativen Einfluss zu nehmen. Der Slave umfasst weiterhin eine Kamera, Leuchtmittel und vorzugsweise einen
Arbeitskanal. Die Verkopplung der beiden Systeme erfolgt
elektrisch im Steuerrechner.
In der Figur 2 wird die Systemstruktur eines herkömmlichen Systems gezeigt. Dieses System besteht aus einem als Master bezeichneten Impedanzsystem, und einem als Slave bezeichneten Admittanzsystem, das auch Slave genannt wird. Das Mastersystem umfasst ein Mensch- Maschine-Interface, das in der Regel aus einem Bildschirm und entsprechenden Eingabemitteln besteht. Der Benutzer gibt über eine kinematische Struktur Positionsanweisungen an den Slave. Über entsprechende Positionssensorik werden diese an eine
Kontrolleinheit geleitet, die dann einen oder mehrere Aktuatoren antreibt, der oder die im Slave angeordnet sind ist. Der Aktuator wiederum steuert eine kinematische Struktur, die dann einen
Zugriff auf die Umgebung bzw. das Gewebe hat. Durch einen oder mehrere Kraftsensoren wird vom Slave über die Kontrolleinheit ein Feedback gegeben, das wiederum in der Master-Einheit einen oder mehrere Aktuatoren antreibt, der einen Einfluss auf die
kinematische Struktur ausüben, was beim Benutzer ein haptisches Feedback erzeugt. Durch diese Sensoren und Aktuatoren erhält der Benutzer ein mittelbares Feedback.
Überblick über die Erfindung
Ziel der Erfindung ist es nun, ein realitätsnahes pseudohaptisches Feedback zu gewährleisten, ohne einen (weiteren) Aktuator im NutzerInterface zur aktiven Erzeugung des haptischen Feedbacks zu integrieren . Ebenso kann durch dieses Verfahren auf eine
anspruchsvolle Kraftsensorik im Endeffektor verzichtet werden , Ziel der Erfindung ist die Erzeugung eines pseudohaptisehen
Feedbacks in der Bedieneinheit eines Teleoperationssystems . Dabei wird, verglichen mit dem aktuellen Stand der Technik, auf einen Aktuator im Nutzerinterface verzichtet und der mesStechnische Aufwand im Endeffektor verringert . Das pseudohaptisehe Feedback entsteht unter Ausnutzung des im Rahmen der Anwendung bestehenden visuellen Feedbacks und der Verarbeitung unterschiedlicher
Sinneseindrücke zu einer konsistenten Empfindung durch den Nutzer .
Im Einzelnen handelt es sich um ein Teleoperationssystem,
umfassend:
- einen Slave, der eine Antriebseinheit aufweist, die einen greifenden Endeffektor antreibt, wobei eine kinematische
Koordinate des Endeffektors und eine Greifkraft Feffektor bestimmbar ist Die kinematische Koordinate ist beispielsweise ein Schließwinkel für rotatorische Freiheitsgerade oder ein Verfahrweg für translatorische Freiheitsgerade des Endeffektors. In diesem Patent wird der
Schließwinkel Phi repräsentativ für die zuvor beschriebene Klasse an Endeffektoren genutzt, er soll somit auch die kinematische Koordinate umfassen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Endeffektor nicht scherenartig bzw. rotatorisch über ein Gelenk geschlossen wird, sondern über einen z.B. linearen Verfahrweg. Die Antriebseinheit wird auch Aktuator genannt und kann ein Motor oder können mehrere Motoren mit und/ohne Getriebe oder Kupplung sein. Dieser Motor ist in einem Slave-Gehäuse angeordnet, möglichst entfernt vom Gewebe, um Verunreinigungen zu verhindern. Der Motor treibt den Endeffektor, und insbesondere dessen Greifer an. Es ist zu beachten, dass es auch weitere Motoren gibt, um weitere
Funktionen des Endeffektor bzw. weiterer Endeffektoren umsetzen zu können. Auch kann es weitere Motoren geben, um mehrdimensionale Bewegungen durchzuführen.
- Ein weiterer Bestandteil des Teleoperationssystems ist eine Kamera, die vorzugsweise im Slave integriert ist, und die auf den Endeffektor ausgerichtet ist. Die Kamera kann auch an einem anderen Gerät befestigt sein, sollte jedoch einen Blick auf den Endeffektor und dessen Greifer ermöglichen. Die Kamera erlaubt ein visuelles Feedback. In einer weiteren Ausführungsform kann dem Kamerabild eine zusätzliche digitale Darstellung der aktuellen Endeffektorkoordinate überlagert werden. (Winkelangabe, Striche die sich auf einander zu bewegen, ein stilisierter Greifer der sich bewegt, Farbverläufe, Abstände, Auslenkungen) Außerdem ist e vorstellbar, dass man auch die am Endeffektor wirkende Kraft auf dem Display darstellt. Dies würde zu einer „Augmented Reality" führen .
- Em weiterer Bestandteil des Teleoperationssystems ist ein Master, der mit dem räumlich entfernten Slave verbunden ist. Die Verbindung kann über Funk oder auch Kabel erfolgen. Der Master weist mindestens eine Bedieneinheit auf, auf die ein Benutzer eine Greifkaft FG ausüben kann. In der Regel beinhaltet die
Bedieneinheit zwei Bedienmittel, die für die rechte und die linke Hand eingesetzt werden. Mit diesen Bedieneinheiten können
Bewegungen durchgeführt werden, die in der Regel in mehreren Dimensionen ausführbar sind. Das Greifen mit dem Endeffektor mit der Greifkraft FG erfolgt in der Regel durch einen Druck mit den Fingern auf einen Druckbereich, der in dem Bedienmittel der
Bedieneinheit ausgebildet ist, wobei die Greifkraft oder
Informationen der Greifkraft an den Slave übertragen werden.
Ferner umfasst der Master ein visuelles Nutzerinterface, das das Bild der Kamera darstellt und somit ein Feedback erlaubt. Die Information der Greifkraft wird zunächst an den Steuerrechner übertragen. Der Steuerrechner wandelt die Greifkraft abhängig vom gegebenen mathematischen Zusammenhang in eine
Öffnungswinkelvorgabe für den Endeffektor um, und sendet diese an den Slave.
Bei der Vorrichtung ist zu beachten, dass gilt, dass FG linear abhängig vom Schließwinkel/einer kinematischen Koordinate und
Feffektor ist. D.h. der Schließwinkel bestimmt sich aus der Greifkraft an dem Bedienmittel und von der Kraft, die am Endeffektor bestimmt wird. Je größer beide Kräfte sind, desto geringer ist der Winkel zwischen den beiden Greifern des Endeffektors. Insbesondere je größer das Verhältnis zwischen beiden ist, desto größer ist der Schließwinkel. Zur pseudo-haptischen Wahrnehmung der am
Endeffektor wirkenden Interaktionskraft bedarf es in der Bedieneinheit daher keine aktive Aktorkomponente, die ein Feedbac hervorruft .
In einer weiteren Ausführungsform wird Feffektor durch einen oder mehrere der folgenden Ansätze bestimmt:
_ Ableitung der Kraft aus Führungsgrößen und/oder Regelparametern, sowie Modellannahmen der Antriebseinheit im Slave
- Messung des Stroms in der Antriebseinheit
- Messung der Kraft in einer kinematischen Struktur zwischen Endeffektor und Antriebseinheit. Dies können z.B. Streben oder Führungsstangen oder Gelenke sein.
- Strukturintegrierte Messung in Komponenten des Slave, die Kräft des Endeffektors ableiten. Dies können z.B. Lager oder
Gehäuseteile sein.
- Durch strukturintegrierte Kraftsensoren in einem
parallelkinematischen Manipulator, die Kräfte und Momente in den Streben und/oder die Lagerreaktionskräfte in den Gelenken der parallelkinematischen Struktur messen. Dies können z.B. einachsig in den Streben oder an einer Stelle mehrdimensional erfasst werden .
- Kraft/Drehmomentsensoren an der Antriebseinheit. Dies kann vor und hinter dem Getriebe erfolgen - Messung der Kraft direkt zwischen Endeffektor und umgebendem Gewebe durch flächig oder punktuell an den Branchen des Endeffektors angebrachte Sensoren,
In einer möglichen Ausführungsform ist die Bedieneinheit
insbesondere das Bedienmittel möglichst starr und weist lediglich die für die Greifkrafterfassung notwendige Flexibilität auf. Das Nutzerinterface soll starr sein um folgende Vorteile zu erhalten (im pseudohaptischen Freiheitsgrad keine Auslenkung zulassen)
• Kein Dynamikverlust bei der Übertragung von aktivem
haptischem Feedback der anderen Freiheitsgrade.
• Sehr gute Anbindung von „hoch dynamischem" Feedback im
starren Bedienmittel .
• Keine Bewegung der Finger und damit Haftungsverlust des
Nutzers am Bedienmittel. Das Bedienmittel kann aber auch mit konstanter Nachgiebigkeit und damit für eine definierte Auslenkung ausgelegt sein. Damit erhält man gegebenenfalls für den Freiheitsgrad des pseudohaptischen Feedbacks bessere (realistischere) Ergebnisse, verliert jedoch die zuvor beschriebenen Vorteile für das Gesamtsystem.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Bestimmung der Greifkraft FG durch Ableitung der Interaktionskraft zwischen Bedienmittel und Benutzer durch ein oder mehrere der folgenden Verfahren erfolgt:
• Einfache Kraftmessung zwischen den Fingern
• Differentielle Kraftmessung zwischen den Fingern.
Damit bleibt die Unabhängigkeit zwischen Greifkraft
(pseudohaptisches Feedback) und etwaigem aktivem haptischem Feedback anderer Freiheitsgrade gewahrt. Die differentielle Kraftmessung kommt dadurch zustande, dass man die Greifkraft für Daumen und Zeigefinger getrennt voneinander misst. (In der Praxis wird vermutlich der jeweils kleinere ggfs. auch der Größere der beiden gemessenen Werte der für die
Greifkraft relevante Wert sein.) Misst man die differentielle Kraft von Daumen und Zeigefinger getrennt, können die parasitären Kräfte durch externes Feedback heraus gerechnet werden und man hat damit nur noch die wirklich zwischen Daumen und Zeigefinger wirkenden Kräfte. Differenzielle Kraftmessung ermöglicht somit eine Messung der Kraft unabhängig von Störgrößen. Störgrößen sind in diesem
Zusammenhang weitere Kräfte die für z.B. räumliches Feedback eingekoppelt werden.
• Aus der Auslenkung, Verformung eines nicht starren
Bedienmittels .
Hieraus ergibt sich im Wesentlichen, dass beim
Teleoperationssystem eine der folgenden Abhängigkeiten gelt kann, wobei gilt
FG = Kinematische Koordinate * Feffektor Oder
FG = Kinematische Koordinate + Feffektor
oder
FG = Kinematische Koordinate * (Feffektor +Fmin) + FG_offset Wobei Fmin die Kraft ist, um den Effektor anfänglich zu bewegen, und FG offset die Kraft ist, um den Sensor in der Bedieneinheit ansprechen zu lassen. Andere Abhängigkeiten insbesondere lineare sind auch denkbar. Es ist zu beachten, dass die Formeln nur die grundsätzliche Abhängigkeit darstellen sollen. Es können hierbei noch alternative Parameter berücksichtigt werden, die hier noch nicht eingebunden sind. Dazu gehören Skalierungsfaktoren der einzelnen Kräfte sowie Skalierungsfaktoren zur Anpassung der Einheiten in der Gleichung und zur Adaption auf beliebige
kinematische Koordinaten. Die kinematische Koordinate kann unter anderen durch den Schließwinkel eines Endeffektors repräsentiert sein .
Im Sinne der Erfindung erfüllen alle mathematischen Beziehungen zwischen Greifkraft FG und kinematischer Koordinate des
Endeffektors ihren Zweck, bei denen gilt, dass eine Erhöhung der wirkenden Endeffektor-Interaktionskraft zur einer größeren notwendigen Greifkraft des Nutzers führt, um eine weitere Erhöhung der kinematischen Koordinate hervor zu rufen.
Dabei sind die ausgewählte Beziehung sowie die Skalierungsfaktoren abhängig von der durch den Endeffektor manipulierten Umgebung zu wählen .
Pseudohaptisches Feedback funktioniert bis zu einer Frequenz von ca. 10 Hz. Diese Schranke ergibt sich durch die Fähigkeit des Menschen selbst bewusst Kräfte und Bewegungen bis zu dieser
Frequenz ausgeben zu können. (DIN EN ISO 9241 910) . Damit bedient man hauptsächlich den haptisch kinästhetischen Sinneskanal.
Für Frequenzen, die darüber hinaus gehen, kann taktiles haptisches Feedback ausgegeben werden. Hierzu kann eine Aktorik im
Nutzerinterface eingesetzt werden, welche ein gerichtetes oder ungerichtetes haptisches Feedback auf den Nutzer koppelt.
(Frequenzbereich ca. 50 Hz - 1000 Hz nach DIN EN ISO 9241 910) . Damit können Informationen bezüglich Materialselektivität,
Oberflächenstrukturen etc. dargestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Einheit zur Erzeugung eines taktilen haptischen Feedbacks an der Bedien-einheit bzw. Bedienmittel genutzt, wobei durch einen Sensor im Slave ein Signal erfasst wird, das an die Einheit zur Erzeugung eines taktilen haptischen Feedbacks gesendet wird, die spektralen Anteile dieses Signals liegen vorzugsweise im Bereich von zu bis 50 - 1000 Hz.
Die Ausgabe des zuvor beschriebenen taktilen haptischen Feedbacks kann dabei erfolgen durch:
1. Kraftausgabe durch Inertialmassemotoren
2. Exzentermotoren
3. Piezo Aktoren - Direkt zwischen Bedieneinheit und
Bedienmittel
4. Piezo Aktoren - Zwischen Basis des Bedienmittel und den Fingern
5. Piezo Aktoren zur Erzeugung von Oberflächenwellen an
beliebiger Stelle des Bedienmittels
Damit können einerseits gesteuerte Kraftgrößen, oder
Beschleunigungen darstellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die oben genannten Elemente so ausgebildet, wobei die wirkende Kraftrichtung der Einheit zur Erzeugung eines taktilen haptischen Feedbacks keine oder nur minimale Kräfte in Richtung der Greifkaft FG ausüben, um damit regelungstechnische Instabilitäten im System zu reduzieren.
In einer Ausführungsform wird bei der Einbringung eines solchen Feedbacks versucht, die ausgegebenen Kräfte und Auslenkungen aus der eigentlich wirkenden Kraftrichtung herauszunehmen, um somit den Regelkreis zu öffnen und damit regelungstechnische
Instabilitäten im System zu reduzieren. Außerdem kann man die Positionsvorgabesignale abhängig von den ausgegebenen
„hochfrequenten" taktilen Ausgabegrößen „notch filtern" (Schmalband-Filtern bzw. Kerbfiltern) , um die regelungstechnische Stabilität im haptischen System zu erhalten. Durch Einsatz eines Kerbfilters ist eine schmalbandige Eliminierung einer bestimmten Frequenz möglich. Dieser kann adaptiv auf die Frequenz des taktilen Feedbacks angepasst werden. In einer Ausführungsform können auch die Positionsvorgabesignale durch einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz unterhalb der typischen Frequenzen für taktiles Feedback, z.B. 40 Hz, gefiltert werden um somit die Frequenzbereiche der Kanäle voneinander zu trennen.
In einer Ausführungsform ist der Sensor im Slave ein
Beschleunigungssensor. Aiternativ können Encodersignale der
Aktoren eingesetzt werden. Hochfrequente Signale können auch aus Kraftsensoren abgeleitet werden, die bereits beschreiben wurden, Man könnte sich auch vorstellen mit „surface acustic wave" (SAW) Sensoren Oberflächenschwingungen in den Kinematikkomponenten oder am Endeffektor zu erfassen.
Ein weiterer Teil der Erfindung ist der Aufbau des Slave für ein Teleoperationssystem, z.B. wie es oben beschrieben wurde. Der Slave kann natürlich auch für andere Systeme verwendet werden und ist nicht auf eine Teleoperationssystem beschränkt und umgekehrt. Bei Komponenten können auch in anderen Kombinationen genutzt werden
Der Slave umfasst
- mindestens drei als tripod angeordneten Schubstangen, die jeweils zwei aktive Freiheitsgrade in Form von Translation und Rotation aufweisen, und durch einen Antrieb jeweils in den
Freiheitsgraden angetrieben werden. Es können auch mehr
Schubstangen möglich sein, auch deren Anordnung kann
unterschiedlich sein;
- einem Endeffektor, der jeweils über kinematische Ketten mit den Schubstangen verbunden ist, wobei die kinematischen Ketten so ausgebildet sind, dass der Endeffektor in drei Dimensionen ausrichtbar ist und offenbar und schließbar ist, durch Translation oder Rotation der Schubstangen. In einer möglichen Ausführungsform gibt es eine kinematische Kette, die als Hauptkette ausgebildet ist, deren Rotation zu einer Rotation des Endeffektors führt und deren Verschieben zu einem Verschieben des Endeffektors führt.
Zusätzlich gibt es zwei Ketten, die als Nebenketten ausgebildet sind, deren Verschiebung zu einem Verschieben des Endeffektors führt, und deren Rotation zu einem Öffnen oder Schließen oder Abwinkein des Endeffektors führt.
In einer möglichen Ausführungsform wird die Rotationen der
Nebenketten über eine Spindel und einen Schlitten in eine
Linearbewegung umgeformt, die den Endeffektor öffnet oder schließt oder abwinkelt.
Die kinematische Hauptkette weist vorzugsweise vier Freiheitsgrade auf und/oder die kinematischen Nebenkette vorzugsweise je sechs Freiheitsgraden auf.
Die Nebenkette ist vorzugsweise mit der Hauptkette bzw. deren Schubstange über Drehgelenke verbunden, wobei die Drehgelenke als U-förmige Spangenelemente ausgebildet sind.
In Summe können mit der Erfindung günstigere , robustere und leichter sterilisierbare Systeme entwickelt werden . Dabei weist der Einsatz von pseudo-haptisehern Feedback in
TeleoperationsSystemen in Bezug auf regelungstechnische Stabilität Vorteile gegenüber herkömmlichen haptischen Teleoperations Systemen auf.
Figurenbeschreibung Fig . 1 zeigt den Aufbau eines exemplarischen TeleoperationsSystems auf Basis einer Master-Slave Struktur;
Fig. 2 zeigt die Systemstruktur eines herkömmlichen
Teleoperationssystems;
Fig. 3 zeigt die Systemstruktur eines „Pseudohaptischen" Systems;
Fig. 4 zeigt die Systemstruktur eines kombinierten
Teleoperationssystems Impedanz-Admittanzstruktur sowie einen zusätzlichen pseudohaptischen Freiheitsgrad und eine Struktur zur Überlagerung von hochfrequentem haptischen Feedback;
Fig. 5 zeigt einen Endeffektor mit unterschiedlicher Stellung der Greifarme;
Fig. 6 zeigt einen Endeffektor mit komplett geöffneten Greifarmen;
Fig. 7 zeigt einen Endeffektor mit teilweise geschlossenen
Greifarmen;
Fig. 8 zeigt einen Endeffektor mit komplett geschlossenen
Greifarmen; Fig. 9 zeigt einen Endeffektor ohne Kraftwirkung zwischen den
Greifarmen, da noch kein Gewebekontakt vorliegt;
Fig. 10 zeigt einen Endeffektor mit wirkender Endeffektor
Greifkraft bei Gewebekontakt;
Fig. 11 zeigt ein als starr ausgelegtes Bedienmittel im Master sowie die Richtung der Greifkraft unter Eingriff des Nutzers;
Fig. 12 zeigt ein mit definierter Nachgiebigkeit ausgelegtes Bedienmittel sowie die Richtung der Greifkraft unter Eingriff des Nutzers ; Fig. 13 zeigt den Zusammenhang zwischen Greifkraft und
Schließwinkel ohne Beeinflussung der Verkopplungskennlinie durch die wirkende Endeffektorkraft. Kennlinie 1 und Kennlinie zwei unterscheiden sich durch die vorgegebene Kraft Fmin ;
Fig. 14 zeigt im Unterschied zu Figur 13 den Zusammenhang zwischen Greifkraft und Schließwinkel ab einem optional einsetzbaren Offset der Greifkraft; Fig. 15 zeigt den haptisch wahrnehmbaren Greifkraftunterschied bei visuell wahrgenommenem gleichen Endeffektorschließwinkel durch Variation der Kopplungskennlinie zwischen Greifkraft und
Schließwinkel ; Fig. 16 zeigt einen exemplarischen Kennlinienverlauf mit Einfluss unterschiedlicher wirkender Endeffektorgreifkräfte auf Basis der multiplikativen Bewertung des Zusammenhangs zwischen Greifkraft und Schließwinkel mit der wirkenden Endeffektorgreifkraft . Fig. 17 zeigt im Unterschied zu Figur 16 den Kennlinienverlauf bei
Einfluss unterschiedlicher Endeffektorgreifkräfte auf Basis der additiven Bewertung des Zusammenhangs zwischen Greifkraft und Schließwinkel mit der wirkenden Endeffektorgreifkraft . Fig. 18 zeigt die Ausführungsform des Slaves bestehend aus
Endeffektor 1, TCP 2 , Parallelkinematischem Mechanismus 3,
Schubstreben 4, Kamerakanal 5, Schaft 6 und Antriebseinheit 7;
Fig.19 beschreibt eine Vergrößerung der Ausführungsform in Fig. 18 mit Endeffektor 1, TCP 2 , Parallelkinematischem Mechanismus 3,
Schubstreben 4, Kamerakanal 5, Schaft 6;
Fig. 20 zeigt die Ausführungsform eines Bedienmitteies mit
Bedienmittel 1, TCP der Bedieneinheit 2 , Basis 3, Antriebe des Bedienmitteies 4 ; Fig. 21 zeigt die Ausführungsform eines starren Bedienmittels mit Griffelementen 1,2, Fingern 3, Basis 4 des Bedienmittels ,
Befestigungselement 5 zur Befestigung am TCP des Bedienmittels, Kraftsensor-Elemente 6 zwischen Griffelementen und Basis des Bedienmittels ;
Fig. 22 zeigt einen Schnitt sowie die Explosionszeichnung der Ausführungsform eines Bedienmittels mit Griffelementen 1,
Antrieben für taktiles Feedback 2, Kraftsensorelementen 3, Basis des Bedienmittels 4, Befestigungselement für TCP des
Bedienmittels;
Fig. 23 zeigt einen detaillierten Aufbau des Slaves .
Beschreibung der Ausführungsform :
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines TeleoperationsSystems für die minimalinvasive Chirurgie beschrieben, was nicht
beschränkend zu verstehen ist . Dieses überträgt
SteuerInformationen des Benutzers an einen intrakorporalen
Manipulator und stellt dem Nutzer die Interaktionskräfte zwischen dem Endeffektor des intrakorporalen Manipulators und Gewebe als haptisches und pseudo haptisches Feedback an der Bedieneinheit dar .
Figur 1 zeigt den Aufbau eines exemplari sehen
TeleoperationsSystems auf Basis einer Master-Slave Struktur mit Master 1 , Bedieneinheit 2 , Bedienmittel 3 , visuellem
Nutzerinterface (Bildschirm 4), Parallelkinematischer Mechanismus 5 , Endeffektor 6, Tool Center Point 7 , Arbeitskanal 8 , Kamerakanal 9, Slave 10 , Operationstisch 11.
Der Slave ist in der Figur 1 dargestellt . Er besteht aus einem parallelkinematischen Mechanismus an dessen TCP ein Endeffektor montiert ist . Die Position des TCP und damit die Position des Endeffektors können durch die definierte LängsverSchiebung der Schubstreben eingestellt werden . Die einzelnen Schubstreben werden durch separate Aktuatoren in der Antriebseinheit bewegt . Im Schaft des Slaves befinden sich ein Kanal für eine Kamera sowie ein Arbeitskanal . Der Endeffektor besteht aus zwei Greifarmen zwischen welchen die Endeffektor Greifkraft (Feffektor) wirkt . Der
Schließwinkel ( Phi ) ist der Winkel zwischen den beiden Greifarmen des Effektors . Sowohl die wirkende Kraft ( Feffektor) als auch der Schließwinkel (Phi ) werden somit bestimmt bzw . erfasst . Zusätzlich zur Kraft zwischen den Endeffektor Greifern (Feffektor) werden die Interaktionskräfte zwischen dem Endffektor und der Umgebung abgeleitet . Mit einem entsprechenden Kabel ist der Slave mit dem
Master verbunden .
Die Figuren 2 und 3 zeigen im Vergleich den Unterschied eines herkömmlichen Systems zu dem System der vorliegenden Erfindung . Hierbei ist zu erkennen, dass ein Feedback über Aktuatoren nicht gegeben wird bei der vorliegenden Erfindung . Fig . 4 zeigt die
Systemstruktur eines kombinierten TeleoperationsSystems Impedanz- Admittanzstrurktur sowie einen zusätzlichen pseudohaptisehen Freiheitsgrad und einer Struktur zur Überlagerung von
hochfrequentem haptischen Feedback . Hierbei sind die Systeme der Figuren 2 und 3 zusammengeführt worden .
Der Master besteht aus zwei Bedieneinheiten gemäß Figur 20 für die linke und die rechte Hand. Diese Bedieneinheiten weisen ein
Bedienmittel gemäß den Figuren 11, 12 , 20 , 21 , 22 auf . Der
Benutzer agiert über das Bedienmittel mit der Bedieneinheit . Das
Bedienmittel ist am TCP der Kinematik der Bedieneinheit mit der Bedieneinheit verbunden . Durch Nutzereingabe in das Bedienmittel und damit in die Bedieneinheit werden Steuersignale für den Slave in das System eingegeben . Durch in der Basis des Bedienmitteies angebrachte Aktoren kann ein haptisches Feedback bezüglich der am
Slave zwischen Endeffektor und Umgebung gemessenen
Interaktionskräfte erzeugt und über das Bedienmittel an den Nutzer ausgegeben werden .
Die Fig. 18 zeigt eine Ausführungsform des Slaves bestehend aus Endeffektor 1, TCP 2, Parallelkinematischem Mechanismus 3, Schubstreben 4, Kamerakanal 5, Schaft 6 und einer Antriebseinheit 7.
Die Fig.19 beschreibt eine Vergrößerung der Ausführungsform in Fig. 18 mit Endeffektor 1, TCP 2, Parallelkinematischem
Mechanismus 3, Schubstreben 4, Kamerakanal 5, Schaft 6.
Fig. 20 zeigt die Ausführungsform eines Bedienmitteies mit
Bedienmittel 1, TCP der Bedieneinheit 2, Basis 3 und dem Antriebe der Bedieneinheit 4.
Fig. 21 zeigt die Ausführungsform eines starren Bedienmittels mit Griffelementen 1,2, Fingern 3, Basis 4 des Bedienmittels,
Befestigungselement zur Befestigung 5 am TCP des Bedienmittels an der Bedieneinheit, Kraftsensor-Elemente 6 zwischen Griffelementen und Basis des Bedienmittels.
Als Steuergröße für den Schließwinkel phi eines intrakorporalen
Endeffektors (siehe z.B. Fig. 6 bis 17 ) wird statt einer
Positionsmessung von beweglichen Elementen des Bedienmittels die Greifkraft des Nutzers verwendet . Hierzu wird im Bedienmittel eine Kraftsensorik zur Detektion der Greifkraft eingesetzt (ziehe z.B. Fig . 12 und 22 ) . Über die Einstellung der nötigen Greifkraft FG;!riax zum vollständigen Schließen des Endeffektors kann das Verhalten des Endeffektors in Form einer (linearen) Kennlinie phi (FG) beeinflusst und situationsangepasst verändert werden (Fig . 13-17 ) . Ein haptischer Sinneseindruck entsteht dabei durch die Korrelation von selbst in das Nutzerinterface eingebrachter Greifkraft und dem visuell wahrgenommenen Schließwinkel des Endeffektors . Siehe hierzu die Fig . 7- 9.
Zur Erzeugung des haptischen Feedbacks ist in diesem Fall kein Aktuator notwendig, da der Nutzer sich durch seine Greifkraft die für einen haptischen Sinneseindruck nötige Kraft selbst erzeugt .
Eine notwendige Voraussetzung ist dabei ein direkter Blick auf den Endeffektor durch den Nutzer . Die grundsätzliche Funktionsweise dieses "pseudohapti sehen Feedbacks " , ist aus dem Bereich der virtuellen Realität bekannt .
Die Kraft FG oder auch Fgreif wird wie in Fig.1 1 , 1 2 gezeigt am Bedienmittel bestimmt.
Um ein haptisches Feedback eines Materials im Endeffektor/Greifer zu gewährleisten, lässt sich die Kennlinie (Fig. 13 - 1 7 ) variieren, die den Zusammenhang zwischen Greifkraft am Nutzerinterface und dem Schließwinkel des Endeffektors darstellt (siehe Fig. 5 - 1 0 ) .
Dies geschieht in Abhängigkeit der Kraft, die zum Schließen bzw. Aktuieren des Endeffektors nötig ist. Diese entspricht aufgrund des sich einstellenden Kräftegleichgewichts der Interaktionskraft
^effektor ·
Die Variation der Kennlinie phi (FG) ist dabei durch Addition der gemessenen ausgegebenen Endeffektorkraft phi' = phi (FG+Feffektor) sowie durch Multiplikation der gemessenen Endeffektorkraft phi' = phi (FGFeffektor) möglich. Die beiden Fälle beschreiben dabei eine unterschiedlich starke Gewichtung der jeweils wirkenden
Endffektorkraft (Feffektor) . In beiden Fäl len ändert sich die nötige
Greifkraft, die zum Erreichen eines bestimmten Schließwinkels phi nötig ist. In Zusammenhang mit dem visuellen Feedback zur Öffnung des Greifers entsteht damit beim Nutzer ein Eindruck für die Beschaffenheit des Materials am Endeffektor, da die
Interaktionskraft Feffektor unter anderem materialabhängig ist.
Die Fig. 1 6 zeigt einen exemplarischen Kennlinienverlauf mit Einfluss unterschiedlicher wirkender Endeffektorgreifkräfte auf Basis der multiplikativen Bewertung des Zusammenhangs zwischen Greifkraft und Schließwinkel mit der wirkenden
Endeffektorgreifkraft . Kennlinie 0 zeigt den Verlauf der
Verkopplung ohne wirkende Endeffektorgreifkraft . Kennlinien 1 und 2 zeigen den Verlauf der Verkopplungskennlinie für gegriffene Materialien unterschiedlicher Steifigkeiten. Kennlinie 3 zeigt den Verlauf einer Kennlinie bei der die Endeffektorgreifkraft bei maximal möglicher Nutzergreifkraft so hoch ist, dass die
Stellgröße für den Schließwinkel in Sättigung geht.
Fig. 17 zeigt im Unterschied zu Figur 16 den Kennlinienverlauf bei Einfluss unterschiedlicher Endeffektorgreifkräfte auf Basis der additiven Bewertung des Zusammenhangs zwischen Greifkraft und Schließwinkel mit der wirkenden Endeffektorgreifkraft . Die
Kennlinie 2 beschreibt dabei den Eingriff an einem im Vergleich zu Kennlinie 1 steiferen Material;
Vorversuche zeigen, dass eine Verkopplung von Greifkraft und kinematischer Komponente über eine Multiplikation die besseren Ergebnisse bereitstellt und damit für den Nutzer eine einfachere Unterscheidung unterschiedlicher Materialeigenschaften möglich ist. Darüber hinaus zeigt sich, dass Skalierungsfaktoren und Berechnungsmethode abhängig von der Beschaffenheit der Umgebung des Endeffektors gewählt werden können um die Dynamik der
haptischen Wahrnehmung zum Unterscheiden von speziellen
Materialparametern möglichst optimal auszunutzen.
Notwendige Voraussetzung für dieses Verfahren ist die Ableitung der Interaktionskraft Feffektor zwischen den Greifarmen des
Endeffektors (Figs. 9-10) . Die dynamischen Anforderungen an diese Messungen sind gering, da die Ausübungsfähigkeit des Menschen nur eine geringe, fast quasi statische Bandbreite aufweist. Daher ist die Ableitung der Kraftausführungsgrößen der Aktuatoren und im Endeffektor durch die Integration eines Sensors entfernt vom Endeffektor ausreichend. Damit sinken nicht nur die dynamischen Anforderungen, sondern auch die Anforderungen an Bauraum, Gewicht und Überlastfestigkeit des gegebenenfalls verwendeten Sensors.
Das so dargestellte haptische Feedback der Greifkraft ist
quasistatisch und daher zur Darstellung von bestimmten
Eigenschaften wie Oberflächenbeschaffenheit und zur Unterscheidung von Materialien u.U. nicht ausreichend. Daher wird in einer weiteren Ausführungsform dieser Nachteil durch die Integration eines hoch dynamischen Aktors im Bedienmittel (Piezo, Voicecoil, Exzentermotor, etc.) mit sehr kleinen nötigen Auslenkungen auf einfache Art und Weise kompensiert werden. Durch die Eigenschaften der menschlichen haptischen Wahrnehmung ist bei hochdynamischen Signalen die Einleitungsrichtung nicht gut unterscheidbar, so da hier ein in mehreren Freiheltsgraden empfundenes haptisches Feedback mit einer eindimensionalen Bewegung des Aktors
dargestellt werden kann.
Fig. 22 zeigt einen Schnitt sowie die Explosionszeichnung der Ausführungsform eines Bedienmittels mit Griffelementen 1,
Antrieben für taktiles ein Feedback 2, Kraftsensorelementen 3, einer Basis des Bedienmittels 4 und ein Befestigungselement für TCP des Bedienmittels;
Die Messung der hochfrequenten Signale könnte durch Messung von Beschleunigungen mit miniaturisierten, sterilisierbar im
Endeffektor angeordneten Beschleunigungssensoren geschehen.
Im Vergleich von aus der Literatur bekannten
Teleo;perationssystemen mit haptischem Feedback kann mit der hier vorgestellten Erfindung nicht nur pseudohaptisch ausgeführten Freiheitsgrad der haptisch Wahrnehmbare Bereich erweitert werden sondern auch der konstruktive Aufwand des gesamten Bedienmittels reduziert werden. Durch Einsatz von seriell angeordneten Aktoren wird eine Frequenzaufteilung für das haptische Feedback möglich, Anstatt eines Aktuators mit großer Bandbreite bei gleichzeitig großen nötigen Auslenkungen in der Basis des Bedienmittels wird der hochfrequente Anteil des haptischen Feedbacks durch einen dynamischern Aktuator mit kleinen Auslenkungen erzeugt. Im Endeffektor wird der Aufwand an die Sensorik dahingehend reduziert, dass mehrdimensionale, hochdynamische Kraftsensorik durch eine eindimensionale Kraftsensorik und eine mehrdimensiona
Beschleunigungsmessung ersetzt werden könnte. Letztere ist einfacher in den Endeffektor integrierbar, da sie nicht in Hauptkraftflussrichtung integriert werden muss. Darüber hinaus sinken periphere Anforderungen an die Sensoren in Bezug auf Dynamik, Überlastfestigkeit und das sterilisierbare Packaging. Fig. 23 zeigt einen von zwei parallelkinematischen Mechanismen des Slaves, der im Folgenden auch als Manipulator bezeichnet wird. Jeder Manipulator verfügt über bis zu sechs Freiheitsgrade, so dass der TCP 1 im Raum positioniert werden kann. Des Weiteren kann ein am TCP befestigter Endeffektor 2 um seine Längsachse 3 rotiert, abgewinkelt (Abw) und dessen Schließwinkel (Phi)
verändert werden.
Der parallelkinematische Mechanismus besteht aus kinematischen Ketten, die aus starren oder flexiblen Streben und Gelenken zusammengesetzt sind. Im Allgemeinen ist für die Realisierung der
Gelenke eine Vielzahl an Lösungen denkbar. So können neben starren Gelenken auch Festkörpergelenke oder flexible Elemente wie z.B. Federn, Filmgelenke, Faltbälge und NiTi-Drähte verwendet werden. Um den intrakorporal gelegenen Manipulator zu bewegen, sind in der extrakorporal gelegenen Antriebseinheit pro Manipulator
vorzusgsweise sechs Motoren angebracht. Eine andere Anzahl von Motoren und Getrieben ist denkbar. Die erzeugten Bewegungen werden über je drei Schubstangen 4 in den intrakorporalen Bereich übertragen. Über eine Schubstange werden jeweils zwei aktive Freiheitsgrade in Form von Translation ql0-q30 und Rotation q40- q60 übertragen. Die intrakorporal bereitgestellten Bewegungen werden durch den parallelkinematischen Mechanismus, welcher aus einer kinematischen Hauptkette 18 und bis zu vier kinematischen Nebenketten 8, 9, 14, 15 besteht, derart umgeformt, dass eine Verschiebung der Schubstangen zu einer Positionsänderung des TCP führt, eine Rotation der Hauptkette q40 den Endeffektor beliebig um seine Längsachse rotiert und eine Rotation q50 und q60 den Greifer öffnet bzw. schließt und abwinkelt. Diese wird z.B. durch entsprechende Spindeln erreicht, die auch in der Fig. 23 erkennbar sind.
Im Detail besteht der parallelkinematische Mechanismus aus einer tripodartigen Unterstruktur, die sich aus der kinematischen
Hauptkette 18 mit vier Freiheitsgraden und zwei kinematischen Nebenketten 8, 9 mit je sechs Freiheitsgraden zusammensetzt. Diese kinematischen Ketten sind mit dem Hauptschaft 5 über Drehgelenke verbunden. Um ein Verklemmen zu verhindern werden diese Gelenke als U-förmige Spangenelemente 6, 7 realisiert. Die Rotation der Hauptkette wird über ein an der Basis befindliches Kreuzgelenk direkt an den Endeffektor weitergeleitet, so dass dieser beliebig um seine Längsachse rotiert werden kann.
Die Rotationen der beiden verbleibenden Schubstangen werden ebenfalls über Kreuzgelenke weiter entlang der ersten und zweiten
Nebenkette übertragen und schließlich über eine Spindel und einen Schlitten 10, 11 in je eine Verschiebung umgeformt. Über die dritte und vierte Nebenkette 14, 15, die über jeweils vier
Freiheitsgrade verfügen, werden diese Bewegungen auf bezüglich des Hauptschafts geführte Schlitten übertragen 21, 22. Um die
innerhalb des Mechanismus auftretenden Kräfte zu begrenzen, sind in der dritten und vierten Nebenkette Nachgiebigkeiten integriert. Um ein Verklemmen der Schlittenelemente zu verhindern, sind diese ebenfalls als U-förmige Spange ausgeführt. Das innerhalb der Drehgelenke 12, 13 auftretende Reibmoment wird über die
Nebenketten abgeführt. Zu diesem Zweck sind die Spangenelemente 6 und 7 über je eine Pendelstütze mit den Elementen 21 bzw. 22 verbunden .
Jede der am Hauptschaft erzeugten Verschiebungen bewegt innerhalb des Hauptschaftes eine Schubstange, wobei diese Bewegung auf je eine der beiden Backen des Endeffektors z.B. mittels einer
Kurvenscheibe oder eines Kniehebels 16, 17 übertragen wird. Die Schubstangen sind über ein Langloch bezüglich des Hauptschaftes geführt und gegen eine Verdrehung mittels eines Stifts gesperrt. Um die Rotation des Hauptschaftes zu erhalten, werden die am
Hauptschaft erzeugten Schlittenbewegungen 21, 22 über Drehgelenke 12, 13 auf die im Schaft befindlichen Schubstangen übertragen. Folglich kann über eine gleichsinnige Rotation q50 und q60 der Greifer geöffnet oder geschlossen werden. Rotieren die
Schubstangen entgegengesetzt, so wird der Greifer abgewinkelt.
Der beschriebene Sachverhalt ist invertierbar.
Der beschriebene parallelkinematische Mechanismus besitzt die folgenden Übertragungseigenschaften :
1. Die Position des TCP ist unabhängig von den Rotationen q40- q60 und wird alleine von den Verschiebungen ql0-q30
beeinflusst . 2. Die Schubstangen sind colinear angeordnet, so dass der
Arbeitsraum in z-Richtung nur durch den maximalen Verfahrweg der Schubstangen begrenzt wird. In z-Richtung ergibt sich ein konstantes Übersetzungsverhältnis von 1.
3. Die Längsrotation des Endeffektors ist allein von der
Rotation q40 abhängig.
4. Der Öffnungswinkel und die Abwinkelung werden vornehmlich durch die Rotationen q50 und q60 bestimmt.
Um die Kinematik bezüglich der Basisplatte (19) zu referenzieren, sind an den Enden der Schubstangen Anschläge angebracht (20) .
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt, sondern soll durch die Schutzansprüche bestimmt werden .

Claims

Patentansprüche
Teleoperationssystem umfassend:
- einen Slave (10) , der eine Antriebseinheit aufweist, die einen greifenden Endeffektor antreibt, wobei eine
kinematische Koordinate des Endeffektors und eine
Greifkraft Feffektor bestimmbar ist
- mit einer Kamera (9), die vorzugsweise im Slave
integriert ist, und die auf den Endeffektor ausgerichtet ist,
- einen Master (1), der mit dem Slave entfernt verbunden ist, mit mindestens einer Bedieneinheit (2,3), auf die ein Benutzer eine Greifkraft FG ausüben kann, wobei die
Greifkraft an den Slave übertragen wird, und mit einem visuellen Nutzerinterface (4), das das Bild der Kamera darstellt ,
wobei gilt, dass FG linear abhängig von der kinematischen Koordinate und Feffektor ist oder umgekehrt.
Das Teleoperationssystem nach Anspruch 1, wobei Feffektor durch einen oder mehreren der folgenden Ansätze bestimmt wird :
_ Ableitung der Kraft aus Führungsgrößen der
Antriebseinheit im Slave oder von einem Steuerungsrechner
- Messung des Stroms in der Antriebseinheit;
- Messung der Kraft in einer kinematischen Struktur zwischen Endeffektor und Antriebseinheit;
- Strukturintegrierte Messung durch Kraftsensoren in einer Parallelkinematik;
- Kraft/Drehmomentsensoren an der Antriebseinheit;
- Messung der Kraft direkt zwischen Endeffektor und umgebendem Gewebe. Das Teleoperationssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bedien-Einheit möglichst starr ist und lediglich die für die Greifkrafterfassung notwendige Flexibilität aufweist. Das Teleoperationssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bedien-Einheit eine definierte Nachgiebigkeit aufweist und damit für eine definierte Auslenkung ausgelegt ist und dadurch Greifkrafterfassung ermöglicht, wodurch auf einen Aktor in der Bedieneinheit verzichtet werden kann.
Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung der
Greifkraft FG durch Ableitung der Interaktionskraft zwischen Bedien-Einheit und Benutzer durch ein oder mehrere der folgenden Verfahren erfolgt:
- Kraftmessung zwischen den Fingern
- Differentielle Kraftmessung zwischen den Fingern
- Ableitung der Kraft aus der Auslenkung oder Verformung einer nicht starren Bedieneinheit.
Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei gilt
FG = Kinematische Koordinate * Feffektor
Oder
FG = Kinematische Koordinate + Feffektor
oder
FG = Kinematische Koordinate * (Feffektor +Fmin) + FG_offset Wobei Fmin die Kraft ist, um den Effektor anfänglich zu bewegen, und FG 0ffset die Kraft ist, um den Sensor in der Bedieneinheit ansprechen zu lassen, sowie vorzugsweise mögliche Faktoren zur Skalierung der Kräfte zur Anpassung der beschriebenen Beziehungen an beliebige
Beschaffenheiten der manipulierten Umgebung.
Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine
Einheit zur Erzeugung eines taktilen haptischen Feedbacks an der Bedien-Einheit, wobei durch einen Sensor im Slave eine Frequenz erfasst wird, die an die Einheit zur
Erzeugung eines taktilen haptischen Feedbacks gesendet wird, die vorzugsweise im Bereich von zu bis 50 - 1000 HZ liegt .
Das Teleoperationssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einheit zur Erzeugung eines taktilen haptischen Feedbacks eine oder mehrere der Folgenden ist:
- Kraftausgabe durch Inertialmassemotoren
- Exzentermotoren
- Piezoelektrische Aktoren
Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden zwei Ansprüche, wobei die wirkende
Kraftrichtung der Einheit zur Erzeugung eines taktilen haptischen Feedbacks keine oder nur minimale Kräfte in Richtung der Greifkaft FG ausüben, um damit
regelungstechnische Instabilitäten im System zu
reduzieren .
Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden drei Ansprüche, wobei die durch einen Sensor im Slave erfasste Frequenz in Abhängigkeit von Umgebungswerten gefiltert wird, um eine Stabilität in einem Regelkreis zu erhalten.
Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden vier Ansprüche, wobei der Sensor im Slave einer oder mehrere der folgenden sind:
Beschleunigungssensor, Encodersignale der Aktoren,
Ableitung hochfrequenter Signale aus den Kraftsensoren, „surface acustic wave" (SAW) Sensoren zur Erfassung von Oberflächenschwingungen in den Kinematikkomponenten oder am Endeffektor.
Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Kamerabild eine zusätzliche digitale Darstellung der aktuellen
Endeffektorkoordinate überlagerbar ist, vorzugsweise durch eines oder mehrere der folgenden:
Winkelangabe, Striche die sich auf einander zu bewegen, ein Stilisierter Greifer der sich bewegt, Farbverlaufe, Darstellung der auf den Endeffektor wirkenden Kraft auf dem Display, Auslenkung darstellt.
Das Teleoperationssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Steuerungsrechner ausgebildet ist, um eine differentielle Kraftmessung an der Bedieneinheit durchzuführen, indem die Greifkraft für Daumen und Zeigefinger getrennt voneinander misst, und vorzugsweise den jeweils kleinere oder größeren der beiden gemessenen Werte für die Greifkraft auswählt.
Einen Slave für ein Teleoperationssystem, vorzugsweise nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
- mindestens drei als Tripod angeordneten Schubstangen, die jeweils zwei aktive Freiheitsgrade in Form von
Translation und Rotation aufweisen, und durch einen
Antrieb jeweils in den Freiheitsgraden angetrieben werden;
- mit einem Endeffektor, der jeweils über kinematische Ketten mit den Schubstangen verbunden ist, wobei die kinematischen Ketten so ausgebildet sind, dass der
Endeffektor in drei Dimensionen ausrichtbar ist und offenbar und schließbar ist, durch Translation oder
Rotation der Schubstangen.
Der Slave nach Anspruch 14, wobei eine kinematisch Kette als Hauptkette ausgebildet ist, deren Rotation zu einer Rotation des Endeffektors führt und deren Verschieben zu einem Verschieben des Endeffektors führt.
Der Slave nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei zwei Ketten als Nebenketten ausgebildet sind, deren
Verschiebung zu einem Verschieben des Endeffektors führt, und deren Rotation zu einem Öffnen oder Schließen oder Abwinkein führt.
Der Slave nach dem vorhergehenden Anspruch 16, wobei die Rotationen der Nebenketten über eine Spindel und einen Schlitten in eine Linearbewegung umgeformt wird, die den Endeffektor öffnet oder schließt oder abwinkelt.
18. Der Slave nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die kinematische Hauptkette mindestens vier Freiheitsgrade aufweist und/oder die kinematischen Nebenkette mindestens je sechs Freiheitsgraden aufweisen.
19. Der Slave nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die
Nebenkette mit der Hauptkette über Drehgelenke verbunden ist, wobei die Drehgelenke als U-förmige Spangenelemente ausgebildet sind.
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