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 F _effektor 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 F _G 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 F _G 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 F _G linear abhängig vom Schließwinkel/einer kinematischen Koordinate und

F _effektor 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 F _effektor 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 F _G 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

F _G = Kinematische Koordinate * F _effektor Oder

F _G = Kinematische Koordinate + F _e f _fektor

oder

F _G = Kinematische Koordinate * (F _e f _fektor +F _min ) + F _G _ _offset Wobei F _min die Kraft ist, um den Effektor anfänglich zu bewegen, und F _G 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 F _G 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 F _G 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 F _min ;

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 (F _effektor ) wirkt . Der

Schließwinkel ( Phi ) ist der Winkel zwischen den beiden Greifarmen des Effektors . Sowohl die wirkende Kraft ( F _effektor ) als auch der Schließwinkel (Phi ) werden somit bestimmt bzw . erfasst . Zusätzlich zur Kraft zwischen den Endeffektor Greifern (F _effektor ) 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 F _G;!riax zum vollständigen Schließen des Endeffektors kann das Verhalten des Endeffektors in Form einer (linearen) Kennlinie phi (F _G ) 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 F _G oder auch F _grei f 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 (F _G ) ist dabei durch Addition der gemessenen ausgegebenen Endeffektorkraft phi' = phi (F _G +F _e f _fektor ) sowie durch Multiplikation der gemessenen Endeffektorkraft phi' = phi (F _G F _e f _fektor ) 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 F _e f _fektor 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 F _effektor 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 .