DE60024079T2

DE60024079T2 - Master- und slave-anordnung in einer minimal eingreifenden chirugischen vorrichtung

Info

Publication number: DE60024079T2
Application number: DE60024079T
Authority: DE
Inventors: D. Gunter NIEMEYER; C. William NOWLIN; S. Gary GUTHART
Original assignee: Intuitive Surgical Inc
Current assignee: Intuitive Surgical Inc
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: EP1181627A4; WO2000060421A3; EP1181627B1; DE60024079D1; ATE521923T1; EP1181627A2; WO2000060421A2; US6766204B2; ATE310264T1; US6364888B1; US20020055795A1; EP1650615A1; EP1650615B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Minimal invasive medizinische Verfahren zielen auf die Verringerung der Menge an äußerem Gewebe ab, das während diagnostischer oder chirurgischer Eingriffe beschädigt wird, wodurch die Patientenerholungszeit, die Unannehmlichkeit und schädliche Nebenwirkungen verringert werden. Millionen von Operationen werden jedes Jahr in den Vereinigten Staaten durchgeführt. Viele von diesen Operationen können potentiell in einer minimal invasiven Weise durchgeführt werden. Nur eine relativ kleine Anzahl von Operationen verwenden jedoch aufgrund von Begrenzungen der minimal invasiven chirurgischen Instrumente und Verfahren und des zusätzlichen chirurgischen Trainings, das erforderlich ist, um sie zu beherrschen, derzeit diese Verfahren.
Fortschritte in der minimal invasiven Operationstechnologie könnten die Anzahl von Operationen, die in einer minimal invasiven Weise durchgeführt werden, drastisch erhöhen. Die mittlere Länge eines Krankenhausaufenthalts für eine Standardoperation ist signifikant länger als die mittlere Länge für die äquivalente Operation, die in einer minimal invasiven chirurgischen Weise durchgeführt wird. Folglich könnte die vollständige Übernahme von minimal invasiven Verfahren Millionen von Krankenhaustagen und folglich Millionen von Dollars jährlich allein in den Krankenhausaufenthaltskosten einsparen. Die Patientenerholungszeiten, die Patientenunannehmlichkeit, die Operationsnebenwirkungen und die Arbeitsfehlzeit werden mit der minimal invasiven Chirurgie auch verringert.
Die üblichste Form der minimal invasiven Chirurgie ist die Endoskopie. Wahrscheinlich ist die üblichste Form der Endoskopie die Laparoskopie, die eine minimal invasive Untersuchung und Operation innerhalb der Bauchhöhle ist. Bei einer Standard-Laparoskopoperation wird der Bauch eines Patienten mit Gas aufgeblasen und Kanülenhülsen werden durch kleine (ungefähr 1/2 Inch) Einschnitte geführt, um Eintrittskanäle für laparoskopische Operationsinstrumente zu schaffen.
Die laparoskopischen Operationsinstrumente umfassen im Allgemeinen ein Laparoskop zum Betrachten des Operationsfeldes und Arbeitsinstrumente, die End-Effektoren definieren. Typische chirurgische End-Effektoren umfassen beispielsweise Klemmen, Greifer, Scheren, Hefter oder Nadelhalter. Die Arbeitsinstrumente sind ähnlich zu denjenigen, die in der herkömmlichen (offenen) Chirurgie verwen det werden, außer dass das Arbeitsende oder der End-Effektor jedes Instruments von seinem Griff durch z.B. eine ungefähr 12 Inch lange Verlängerungsröhre getrennt ist.
Um chirurgische Eingriffe durchzuführen, führt der Chirurg diese Arbeitswerkzeuge oder -instrumente durch die Kanülenhülsen zu einer erforderlichen internen Operationsstelle und manipuliert sie von außerhalb des Bauchs, indem er sie durch die Kanülenhülsen hinein und heraus schiebt, sie in den Kanülenhülsen dreht, die Instrumente an der Bauchwand hebelt (z.B. schwenkt) und End-Effektoren an den distalen Enden der Instrumente von außerhalb des Bauchs betätigt. Die Instrumente schwenken um Zentren, die durch die Einschnitte definiert sind, die sich durch Muskeln der Bauchwand erstrecken. Der Chirurg überwacht den Eingriff mittels eines Fernsehmonitors, der ein Bild der Operationsstelle über eine Laparoskopkamera anzeigt. Die Laparoskopkamera wird auch durch die Bauchwand und in die Operationsstelle eingeführt. Ähnliche Endoskopverfahren werden z.B. bei der Arthroskopie, Retroperitoneoskopie, Nierenbeckenendoskopie, Nephroskopie, Zystoskopie, Zisternoskopie, Sinoskopie, Hysteroskopie, Urethroskopie und dergleichen verwendet.
Es bestehen viele Nachteile in Bezug auf die derzeitige minimal invasive Operationstechnologie (MIS-Technologie). Existierende MIS-Instrumente enthalten dem Chirurgen beispielsweise die Flexibilität der Instrumentenanordnung, die bei der offenen Chirurgie zu finden ist, vor. Die meisten derzeitigen Laparoskopinstrumente weisen starre Schäfte auf und bei der Annäherung an die Operationsstelle durch den kleinen Einschnitt wird eine Schwierigkeit erfahren. Außerdem verringert die Länge und Konstruktion von vielen Operationsinstrumenten die Fähigkeit des Chirurgen, Kräfte zu spüren, die durch Gewebe und Organe auf den End-Effektor des zugeordneten Instruments ausgeübt werden. Der Mangel an Geschicklichkeit und Empfindlichkeit der Operationsinstrumente ist ein Haupthindernis für die Ausweitung der minimal invasiven Chirurgie.
Minimal invasive Fernoperationssysteme zur Verwendung bei der Chirurgie werden entwickelt, um die Geschicklichkeit eines Chirurgen zu steigern sowie einem Chirurgen zu ermöglichen, von einer entfernten Stelle an einem Patienten zu arbeiten. Fernoperation ist ein allgemeiner Begriff für Operationssysteme, bei denen der Chirurg eine gewisse Form von Fernsteuerung, z.B. einen Servomechanismus oder dergleichen, verwendet, um vielmehr Operationsinstrumentbewegungen zu manipulieren als direkt die Instrumente mit der Hand zu halten und zu bewegen. Bei einem solchen Fernoperationssystem wird der Chirurg mit einem Bild der Operationsstelle am entfernten Ort versehen. Während er typischerweise ein dreidimensionales Bild der Operationsstelle auf einer geeigneten Betrachtungsvorrichtung oder Anzeige betrachtet, führt der Chirurg die chirurgischen Eingriffe am Patienten durch Manipulieren von Master-Steuervorrichtungen am entfernten Ort durch, welche die Bewegung von servomechanisch betätigten Instrumenten steuern.
Der für die Fernoperation verwendete Servomechanismus nimmt häufig eine Eingabe von zwei Master-Steuereinheiten (eine für jede der Hände des Chirurgen) an und kann zwei Roboterarme umfassen. Eine funktionale Kommunikation zwischen jeder Master-Steuerung und einem zugehörigen Arm und einer Instrumentenanordnung wird durch ein Steuersystem erreicht. Das Steuersystem umfasst mindestens einen Prozessor, der Eingabebefehle von einer Master-Steuereinheit zu einem zugehörigen Arm und einer zugehörigen Instrumentenanordnung und vom Arm und von der Instrumentenanordnung zur zugeordneten Master-Steuereinheit z.B. im Fall einer Kraftrückkopplung weiterleitet.
Ein Beispiel eines Systems zum Durchführen von minimal invasiven Herzeingriffen ist im US-Patent Nr. 5 855 583 vorgesehen. Das System umfasst ein Paar von Operationsinstrumenten mit manipulierbaren End-Effektoren, wobei die Instrumente mit einem Paar von Roboterarmen gekoppelt sind.
Es wäre vorteilhaft, wenn das Steuersystem eine Beziehung zwischen der Master-Steuerung und dem zugeordneten End-Effektor, wie im Bild betrachtet, herstellt, in welcher Beziehung die Orientierung und Position des End-Effektors, wie für den Chirurgen im Bild angezeigt, der Orientierung und Position der Hand des Chirurgen folgt und entspricht, wenn er die zugeordneten Master-Steuerungen manipuliert. Folglich wäre es vorteilhaft, wenn die End-Effektor-Orientierung und -Position auf die Handorientierung und -position des Chirurgen abgebildet werden. In einem solchen Fall würde die Steuerung der End-Effektor-Bewegung in einer intuitiveren Weise durchgeführt werden als in dem Fall, in dem die End-Effektor-Bewegung, wie im Bild angezeigt, nicht auf die Handbewegung des Chirurgen abgebildet werden würde.
Ferner wäre es vorteilhaft, wenn die Position der Bildaufnahmevorrichtung wäh rend des Verlaufs eines chirurgischen Eingriffs geändert werden könnte, um dem Chirurgen zu ermöglichen, die Operationsstelle aus einer anderen Position zu betrachten. Es ist zu erkennen, dass, sollte sich die Bildaufnahmevorrichtungsposition ändern, die Orientierung und Position der End-Effektoren im betrachteten Bild sich auch ändern könnte. Ferner wäre es vorteilhaft, wenn die Beziehung, in der die End-Effektor-Bewegung auf die Handbewegung abgebildet wird, nach einer solchen Bildaufnahmevorrichtungs-Positionsänderung wieder hergestellt werden könnte.
Es ist eine Aufgabe von zumindest einer Ausführungsform der Erfindung, ein Verfahren und ein Steuersystem zu schaffen, das ermöglicht, dass die Abbildung der End-Effektor-Bewegung auf die Handbewegung hergestellt und/oder wieder hergestellt wird, nachdem sie unterbrochen wurde, beispielsweise durch eine Bildaufnahmevorrichtungs-Positionsänderung.
Es ist zu erkennen, dass, obwohl das Verfahren und das Steuersystem der Erfindung mit Bezug auf eine minimal invasive Operationsvorrichtung in dieser Patentbeschreibung beschrieben wird, die Anwendung der Erfindung nicht auf nur diese Anwendung begrenzt sein soll, sondern in einer beliebigen Art von Vorrichtung verwendet werden kann, in der eine Eingabe an einem Ort eingegeben wird und eine entsprechende Bewegung an einem entfernten Ort erforderlich ist, und in der es erforderlich oder lediglich vorteilhaft ist, eine Slave-Orientierungs- und/oder -Positionsbewegung auf Master-Eingabebewegungen nach der Unterbrechung erneut auszurichten oder wieder abzubilden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer gewünschten Orientierungsbeziehung zwischen einem Handteil einer Master-Steuerung und einem End-Effektor eines zugeordneten Slave bei Betrachtung in einem Bild, das auf einer Betrachtungsvorrichtung angezeigt wird, zu schaffen, wobei das Verfahren umfasst Bewirken, dass der End-Effektor unbeweglich bleibt; Bestimmen einer momentanen Orientierung des End-Effektors in Bezug auf ein Betrachtungsende einer Bildaufnahmevorrichtung, die der Betrachtungsvorrichtung funktional zugeordnet ist; Bestimmen einer gewünschten entsprechenden Orientierung des Handteils der Master-Steuerung in Bezug auf die Betrachtungsvorrichtung, in der die gewünschte Orientierungsbeziehung hergestellt werden würde; und Bewegen des Handteils der Master-Steuerung in die gewünschte entsprechende Orientierung.
Bevorzugte Merkmale des obigen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 36 definiert.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen einer momentanen Position des End-Effektors relativ zum Betrachtungsende der Bildaufnahmevorrichtung, die der Betrachtungsvorrichtung funktional zugeordnet ist; und das Bestimmen einer gewünschten entsprechenden Position des Handteils der Master-Steuerung in Bezug auf die Betrachtungsvorrichtung, wobei in dieser Position eine gewünschte Positionsbeziehung zwischen dem Handteil der Master-Steuerung und dem End-Effektor hergestellt oder wiederhergestellt werden würde; und das Bewirken, dass das Handteil der Master-Steuerung in die gewünschte entsprechende Position bewegt wird, umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein chirurgisches Steuersystem geschaffen, wie in Anspruch 37 dargelegt.
Bevorzugte Merkmale des chirurgischen Steuersystems sind in den Ansprüchen 38 bis 44 definiert.
Das chirurgische Steuersystem kann ferner ein Verarbeitungsmittel, das dazu beschaffen ist, eine momentane Position des End-Effektors relativ zum Betrachtungsende der Bildaufnahmevorrichtung zu berechnen, die der Betrachtungsvorrichtung funktional zugeordnet ist; und eine gewünschte entsprechende Position des Handteils der Master-Steuerung zu berechnen, in welcher Position die gewünschte Positionsbeziehung zwischen dem Handteil der Master-Steuerung und dem End-Effektor hergestellt oder wieder hergestellt werden würde; und einen Aktor, der dazu beschaffen ist, zu bewirken, dass das Handteil der Master-Steuerung in die gewünschte Position bewegt wird, umfassen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1A eine dreidimensionale Ansicht einer Bedienungspersonenstation eines Fernoperationssystems gemäß der Erfindung zeigt;
1B eine dreidimensionale Ansicht eines Karrens oder einer Operationsstation des Fernoperationssystems zeigt, wobei der Karren drei robotisch gesteuerte Arme trägt, wobei die Bewegung der Arme von der in 1A gezeigten Bedienungspersonenstation aus fernsteuerbar ist;
2A eine Seitenansicht eines Roboterarms und einer Operationsinstrumentenanordnung zeigt;
2B eine dreidimensionale Ansicht entsprechend 2A zeigt;
3 eine dreidimensionale Ansicht eines Operationsinstruments zeigt;
4 ein schematisches kinematisches Diagramm entsprechend der in 2A gezeigten Seitenansicht des Roboterarms zeigt und den Arm angibt, der von einer Position in eine andere Position verlagert wurde;
5 in einem vergrößerten Maßstab ein Handgelenkelement und einen End-Effektor des in 3 gezeigten Operationsinstruments zeigt, wobei das Handgelenkelement und der End-Effektor beweglich an einem Arbeitsende eines Schafts des Operationsinstruments montiert sind;
6A eine dreidimensionale Ansicht eines Handteils oder eines Handgelenk-Kardanrahmens einer Master-Steuervorrichtung des Fernoperationssystems zeigt;
6B eine dreidimensionale Ansicht eines gelenkigen Armabschnitts der Master-Steuervorrichtung des Fernoperationssystems zeigt, an dem der Handgelenk-Kardanrahmen von 6A bei der Verwendung montiert ist;
6C eine dreidimensionale Ansicht der Master-Steuervorrichtung zeigt, welche den Handgelenk-Kardanrahmen von 6A am gelenkigen Armabschnitt von 6B montiert zeigt;
7 eine schematische dreidimensionale Zeichnung zeigt, die die Positionen der End-Effektoren relativ zu einem Betrachtungsende eines Endoskops und die ent sprechenden Positionen von Master-Steuervorrichtungen relativ zu den Augen einer Bedienungsperson, typischerweise eines Chirurgen, angibt;
8 eine schematische dreidimensionale Zeichnung zeigt, die die Position und Orientierung eines End-Effektors relativ zu einem Kartesischen Koordinatenbezugssystem einer Kamera angibt;
9 eine schematische dreidimensionale Zeichnung zeigt, die die Position und Orientierung eines Zangengebildes der Master-Steuervorrichtung relativ zu einem Kartesischen Koordinatenbezugssystems eines Auges angibt;
10 eine schematische Seitenansicht eines Teils der Operationsstation der minimal invasiven Operationsvorrichtung zeigt, die den Ort von Kartesischen Bezugskoordinatensystemen angibt, die von einem Steuersystem der minimal invasiven Operationsvorrichtung verwendet werden, um die Position und Orientierung eines End-Effektors relativ zu einem Kartesischen Bezugskoordinatensystem am Betrachtungsende einer Bildaufnahmevorrichtung zu bestimmen;
11 eine schematische Seitenansicht eines Teils der Bedienungspersonenstation der minimal invasiven Operationsvorrichtung zeigt, die den Ort von Kartesischen Bezugskoordinatensystemen angibt, die vom Steuersystem der minimal invasiven Operationsvorrichtung verwendet werden, um die Position und Orientierung des Zangengebildes der Master-Steuervorrichtung relativ zu einem Kartesischen Bezugskoordinatensystem eines Auges zu bestimmen;
12 ein schematisches Blockdiagramm zeigt, das Schritte angibt, denen das Steuersystem der minimal invasiven Operationsvorrichtung beim Bestimmen der End-Effektor-Position und -Orientierung relativ zum Kartesischen Bezugskoordinatensystem am Betrachtungsende der Bildaufnahmevorrichtung folgt;
13 ein schematisches Blockdiagramm zeigt, das Schritte angibt, denen das Steuersystem der minimal invasiven Operationsvorrichtung beim Bestimmen der Zangengebildeposition und -orientierung relativ zum Kartesischen Bezugskoordinatensystem eines Auges folgt;
14 ein Blockdiagramm zeigt, das Steuerschritte darstellt, denen das Steuersystem der minimal invasiven Operationsvorrichtung beim Bewirken einer Steue rung zwischen der Zangengebildepositions- und -orientierungsbewegung und der End-Effektor-Positions- und -Orientierungsbewegung folgt;
15 ein weiteres Detail einer "simulierten Domäne" des in 14 gezeigten Steuersystems zeigt;
16 eine Ausführungsform eines in 15 gezeigten Simulationsblocks zeigt;
17 eine Beziehung zwischen L und 1/L zeigt;
18 eine weitere Ausführungsform des in 15 gezeigten Simulationsblocks zeigt;
19 ein Blockdiagramm zeigt, das die Beaufschlagung mit simulierten Geschwindigkeits- und Positionsgrenzen angibt;
20 eine bevorzugte Ausführungsform des in 15 gezeigten Simulationsblocks zeigt;
21 ein Blockdiagramm zeigt, das die Beaufschlagung mit simulierten Geschwindigkeits- und Positionsgrenzen in Bezug auf die Slave-Orientierungsbewegung angibt;
22 ein Blockdiagramm zeigt, das Steuerschritte in Bezug auf die Ausrichtung der Master-Position und -Orientierung auf jene des Slave angibt;
23 ein Blockdiagramm zeigt, das ein weiteres Detail eines in 22 angegebenen Master-Ausrichtungsschritts angibt;
24 ein Blockdiagramm zeigt, das ein weiteres Detail eines in 23 gezeigten inversen Master-Kinematikschritts angibt;
25 ein Blockdiagramm zeigt, das ein weiteres Detail eines in 24 gezeigten absoluten Master-Handgelenk-Ausrichtungsschritts angibt;
26 ein schematisches Diagramm zeigt, das ein weiteres Detail in Bezug auf 25 darstellt;
27 ein Blockdiagramm zeigt, das ein weiteres Detail eines in 24 gezeigten inkrementalen Master-Handgelenk-Ausrichtungsschritts angibt; und
28 bis 30 dreidimensionale Diagramme von verschiedenen Handgelenk-Kardanrahmenkonfigurationen mit derselben Zangengebildeorientierung zeigen.
BESCHREIBUNG DER SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf 1A der Zeichnungen ist eine Konsole einer Bedienungspersonenstation oder eines Chirurgen von einem minimal invasiven Fernoperationssystem im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 200 angegeben. Die Station 200 umfasst eine Betrachtungsvorrichtung 202, auf der ein Bild einer Operationsstelle bei der Verwendung angezeigt wird. Ein Träger 204 ist vorgesehen, auf den eine Bedienungsperson, typischerweise ein Chirurg, seine Unterarme auflegen kann, während er zwei Master-Steuerungen (in 1A nicht gezeigt), eine in jeder Hand, greift. Die Master-Steuerungen sind in einem Raum 206 einwärts jenseits des Trägers 204 angeordnet. Wenn die Steuerstation 200 verwendet wird, sitzt der Chirurg typischerweise auf einem Stuhl vor der Steuerstation 200, positioniert seine Augen vor der Betrachtungsvorrichtung 202 und greift die Master-Steuerungen, eine in jeder Hand, während er seine Unterarme auf den Träger 204 auflegt.
In 1B der Zeichnungen ist ein Karren oder eine Operationsstation des Fernoperationssystems im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 300 angegeben. Bei der Verwendung wird der Karren 300 nahe einem Patienten, der eine Operation benötigt, angeordnet und dann wird normalerweise bewirkt, dass er unbeweglich bleibt, bis ein durchzuführender chirurgischer Eingriff beendet wurde. Der Karren 300 weist typischerweise Räder oder Gleitrollen auf, um ihn beweglich zu machen. Die Station 200 ist typischerweise entfernt vom Karren 300 angeordnet und kann vom Karren 300 um einen großen Abstand, selbst Meilen entfernt, getrennt sein, wird jedoch typischerweise innerhalb eines Operationssaals mit dem Karren 300 verwendet.
Der Karren 300 trägt typischerweise drei Roboterarmanordnungen. Eine der Roboterarmanordnungen, die mit dem Bezugszeichen 302 angegeben ist, ist dazu beschaffen, eine Bildaufnahmevorrichtung 304, z.B. ein Endoskop oder dergleichen, zu halten. Jede der zwei anderen Armanordnungen 10, 10 umfasst jeweils ein Operationsinstrument 14. Das Endoskop 304 weist ein Betrachtungsende 306 an einem entfernten Ende an einem länglichen Schaft davon auf. Es ist zu erkennen, dass das Endoskop 304 einen länglichen Schaft aufweist, um zu ermöglichen, dass sein Betrachtungsende 306 durch einen Eintrittskanal in eine interne Operationsstelle des Körpers eines Patienten eingeführt wird. Das Endoskop 304 ist mit der Betrachtungsvorrichtung 202 funktional verbunden, um ein an seinem Betrachtungsende 306 aufgenommenes Bild auf der Betrachtungsvorrichtung 202 anzuzeigen. Jede Roboterarmanordnung 10, 10 ist normalerweise mit einer der Master-Steuerungen funktional verbunden. Folglich wird die Bewegung der Roboterarmanordnungen 10, 10 durch Manipulation der Master-Steuerungen gesteuert. Die Instrumente 14 der Roboterarmanordnungen 10, 10 weisen End-Effektoren auf, die an Handgelenkelementen montiert sind, die an distalen Enden von länglichen Schäften der Instrumente 14 schwenkbar montiert sind, wie nachstehend genauer beschrieben wird. Es ist zu erkennen, dass die Instrumente 14 längliche Schäfte aufweisen, um zu ermöglichen, dass die End-Effektoren durch Eintrittskanäle in die interne Operationsstelle des Körpers eines Patienten eingeführt werden. Die Bewegung der End-Effektoren relativ zu den Enden der Schäfte der Instrumente 14 wird auch durch die Master-Steuerungen gesteuert.
Die Roboterarme 10, 10, 302 sind an einem Schlitten 97 mittels Einrichtungsgelenkarmen 95 montiert. Der Schlitten 97 kann selektiv eingestellt werden, um seine Höhe relativ zu einer Basis 99 des Karrens 300 zu verändern, wie durch Pfeile K angegeben. Die Einrichtungsgelenkarme 95 sind dazu beschaffen, zu ermöglichen, dass die seitlichen Positionen und Orientierungen der Arme 10, 10, 302 relativ zu einer sich vertikal erstreckenden Säule 93 des Karrens 300 verändert werden. Folglich können die Positionen, Orientierungen und Höhen der Arme 10, 10, 302 eingestellt werden, um das Führen der länglichen Schäfte der Instrumente 14 und des Endoskops 304 durch die Eintrittskanäle in gewünschte Positionen relativ zur Operationsstelle zu erleichtern. Wenn die Operationsinstrumente 14 und das Endoskop 304 so angeordnet sind, werden die Einrichtungsgelenkarme 95 und der Schlitten 97 typischerweise in der Position verriegelt.
In 2A und 2B der Zeichnungen ist eine der Roboterarmanordnungen 10 genauer gezeigt. Jede Anordnung 10 umfasst einen gelenkigen Roboterarm 12 und ein daran montiertes Operationsinstrument, das schematisch und allgemein mit dem Bezugszeichen 14 angegeben ist. 3 gibt das allgemeine äußere Erscheinungsbild des Operationsinstruments 14 genauer an.
Das Operationsinstrument 14 umfasst einen länglichen Schaft 14.1. Der handgelenkartige Mechanismus, der allgemein mit dem Bezugszeichen 50 angegeben ist, befindet sich an einem Arbeitsende des Schafts 14.1. Ein Gehäuse 53, das lösbar angeordnet ist, um das Instrument 14 mit dem Roboterarm 12 zu koppeln, befindet sich an einem entgegengesetzten Ende des Schafts 14.1. In 2A, und wenn das Instrument 14 mit dem Roboterarm 12 gekoppelt oder an diesem montiert ist, erstreckt sich der Schaft 14.1 entlang einer mit 14.2 angegebenen Achse. Das Instrument 14 wird typischerweise lösbar an einem Schlitten 11 montiert, der angetrieben werden kann, um ihn entlang eines geradlinigen Führungsgebildes 24 des Arms 12 in der Richtung der Pfeile P parallel zu verschieben.
Der Roboterarm 12 ist typischerweise an einer Basis oder Plattform an einem Ende seines zugeordneten Einrichtungsgelenkarms 95 mittels eines Halters oder einer Montageplatte 16 montiert.
Der Roboterarm 12 umfasst ein Gestell, das im Allgemeinen bei 18 angegeben ist, einen oberen Armabschnitt 20, einen Unterarmabschnitt 22 und das Führungsgebilde 24. Das Gestell 18 ist an der Platte 16 in einer Kardanweise schwenkbar montiert, um eine Schaukelbewegung des Gestells 18 in der Richtung der Pfeile 26, wie in 2B gezeigt, um eine Schwenkachse 28 zu ermöglichen. Der obere Armabschnitt 20 umfasst Verbindungselemente 30, 32 und der Unterarmabschnitt 22 umfasst Verbindungselemente 34, 36. Die Verbindungselemente 30, 32 sind schwenkbar am Gestell 18 montiert und sind schwenkbar mit den Verbindungselementen 34, 36 verbunden. Die Verbindungselemente 34, 36 sind schwenkbar mit dem Führungsgebilde 24 verbunden. Die Schwenkverbindungen zwischen den Verbindungselementen 30, 32, 34, 36, dem Gestell 18 und dem Führungsgebilde 24 sind dazu beschaffen, den Roboterarm 12 auf eine Bewegung in einer speziellen Weise einzuschränken. Die Bewegung des Roboterarms 12 ist in 4 schematisch dargestellt.
Mit Bezug auf 4 geben die durchgezogenen Linien schematisch eine Position des Roboterarms an und die gestrichelten Linien geben eine weitere mögliche Position an, in die der Arm von der in durchgezogenen Linien angegebenen Position verlagert werden kann.
Es ist selbstverständlich, dass die Achse 14.2, entlang der sich der Schaft 14.1 des Instruments 14 erstreckt, wenn er am Roboterarm 12 montiert ist, um ein Schwenkzentrum oder einen Drehpunkt 49 schwenkt. Folglich bleibt das Schwenkzentrum 49 ungeachtet der Bewegung des Roboterarms 12 normalerweise in derselben Position relativ zum unbeweglichen Karren 300, an dem der Arm 12 montiert ist. Bei der Verwendung wird das Schwenkzentrum 49 an einem Eintrittskanal in den Körper eines Patienten angeordnet, wenn ein interner chirurgischer Eingriff durchgeführt werden soll. Es ist zu erkennen, dass sich der Schaft 14.1 durch einen solchen Eintrittskanal erstreckt, wobei der handgelenkartige Mechanismus 50 dann innerhalb des Körpers des Patienten angeordnet wird. Folglich kann die allgemeine Position des Mechanismus 50 relativ zur Operationsstelle im Körper eines Patienten durch die Bewegung des Arms 12 verändert werden. Da das Schwenkzentrum 49 mit dem Eintrittskanal zusammenfällt, wirkt sich eine solche Bewegung des Arms nicht übermäßig auf das umgebende Gewebe am Eintrittskanal aus.
Wie am besten mit Bezug auf 4 zu sehen ist, stellt der Roboterarm 12 drei Bewegungsfreiheitsgrade für das Operationsinstrument 14 bereit, wenn es daran montiert ist. Diese Bewegungsfreiheitsgrade sind erstens die Kardanbewegung, die durch die Pfeile 26 angegeben ist, eine Schwenk- oder Taumelbewegung, wie durch die Pfeile 27 angegeben, und die geradlinige Verlagerung in der Richtung der Pfeile P. Die Bewegung des Arms, wie durch die Pfeile 26, 27 und P angegeben, wird durch geeignet angeordnete Aktoren, z.B. Elektromotoren oder dergleichen, gesteuert, die auf Eingaben von ihrer zugeordneten Master-Steuerung reagieren, um den Arm 12 in eine erforderliche Position anzutreiben, wie durch die Bewegung der Master-Steuerung vorgegeben. Geeignet angeordnete Sensoren, z.B. Potentiometer, Codierer oder dergleichen, sind am Arm und seinem zugeordneten Einrichtungsgelenkarm 95 vorgesehen, um zu ermöglichen, dass das Steuersystem des minimal invasiven Fernoperationssystems Gelenkpositionen bestimmt, wie nachstehend genauer beschrieben. Es ist zu erkennen, dass, sobald in dieser Patentbeschreibung auf "Sensoren" Bezug genommen wird, der Begriff weit interpretiert werden soll, so dass er beliebige geeignete Sensoren wie z.B. Positionssensoren, Geschwindigkeitssensoren oder dergleichen umfasst. Es ist zu erkennen, dass durch Bewirken, dass sich der Roboterarm 12 selektiv von einer Position zur anderen verlagert, die allgemeine Position des handgelenkartigen Mechanismus 50 an der Operationsstelle während der Durchführung eines chirurgischen Eingriffs verändert werden kann.
Mit Bezug nun auf 5 der Zeichnungen wird der handgelenkartige Mechanismus 50 nun genauer beschrieben. In 5 ist das Arbeitsende des Schafts 14.1 mit 14.3 angegeben. Der handgelenkartige Mechanismus 50 umfasst ein Handgelenkelement 52. Ein Endabschnitt des Handgelenkelements 52 ist schwenkbar in einem Gabelkopf, der im Allgemeinen mit 17 angegeben ist, am Ende 14.3 des Schafts 14.1 mittels einer Schwenkverbindung 54 montiert. Das Handgelenkelement 52 kann in der Richtung der Pfeile 56 um die Schwenkverbindung 54 schwenken. Ein End-Effektor, der im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 58 angegeben ist, ist an einem entgegengesetzten Ende des Handgelenkelements 52 schwenkbar montiert. Der End-Effektor 58 liegt in Form von z.B. einer Klemmenanbringvorrichtung zum Verankern von Klemmen während eines chirurgischen Eingriffs vor. Folglich weist der End-Effektor 58 zwei Teile 58.1, 58.2 auf, die zusammen eine klauenartige Anordnung definieren.
Es ist zu erkennen, dass der End-Effektor in Form eines beliebigen erforderlichen Operationsinstruments vorliegen kann, z.B. mit zwei Elementen oder Fingern, die relativ zueinander schwenken, wie z.B. eine Schere, eine Kneifzange zur Verwendung als Nadelantriebsvorrichtungen oder dergleichen. Statt dessen kann er ein einzelnes Arbeitselement umfassen, z.B. ein Skalpell, eine Ausbrennelektrode oder dergleichen. Wenn ein anderes Instrument als eine Klemmenanbringvorrichtung während des chirurgischen Eingriffs erforderlich ist, wird das Instrument 14 einfach von seinem zugeordneten Arm entfernt und gegen ein Instrument ausgetauscht, das den erforderlichen End-Effektor trägt, z.B. eine Schere oder eine Kneifzange oder dergleichen.
Der End-Effektor 58 ist in einem Gabelkopf, der im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 19 angegeben ist, an einem entgegengesetzten Ende des Handgelenkelements 52 mittels einer Schwenkverbindung 60 schwenkbar montiert. Es ist zu erkennen, dass die freien Enden 11, 13 der Teile 58.1, 58.2 um die Schwenkverbindung 60 zueinander hin und voneinander weg im Winkel verlagerbar sind, wie durch Pfeile 62, 63 angegeben. Ferner ist zu erkennen, dass die Elemente 58.1, 58.2 um die Schwenkverbindung 60 im Winkel verlagert werden können, um die Orientierung des End-Effektors 58 insgesamt relativ zum Handgelenkelement 52 zu ändern. Folglich ist jedes Teil 58.1, 58.2 um die Schwenkverbindung 60 unabhängig vom anderen im Winkel verlagerbar, so dass der End-Effektor 58 insgesamt um die Schwenkverbindung 60 im Winkel verlagerbar ist, wie in gestrichelten Linien in 5 angegeben. Ferner ist der Schaft 14.1 am Gehäuse 53 zur Drehung drehbar angebracht, wie durch die Pfeile 59 angegeben. Folglich weist der End-Effektor 58 Bewegungsfreiheitsgrade relativ zum Arm 12 auf, nämlich eine Drehung um die Achse 14.2, wie durch die Pfeile 59 angegeben, eine Winkelverlagerung als Ganzes um den Drehpunkt 60 und eine Winkelverlagerung um den Drehpunkt 54, wie durch die Pfeile 56 angegeben. Durch Bewegen des End-Effektors innerhalb seiner Bewegungsfreiheitsgrade kann seine Orientierung relativ zum Ende 14.3 des Schafts 14.1 selektiv verändert werden. Es ist zu erkennen, dass die Bewegung des End-Effektors relativ zum Ende 14.3 des Schafts 14.1 durch geeignet angeordnete Aktoren, z.B. Elektromotoren oder dergleichen, gesteuert wird, die auf Eingaben von der zugeordneten Master-Steuerung reagieren, um den End-Effektor 58 in eine erforderliche Orientierung anzutreiben, wie durch die Bewegung der Master-Steuerung vorgegeben. Ferner sind geeignet angeordnete Sensoren, z.B. Codierer oder Potentiometer oder dergleichen, vorgesehen, um zu ermöglichen, dass das Steuersystem des minimal invasiven Fernoperationssystems Gelenkpositionen bestimmt, wie nachstehend genauer beschrieben.
Eine der Master-Steuerungen 700, 700 ist in 6C der Zeichnungen angegeben. Ein Handteil oder ein Handgelenkkardanrahmen der Master-Steuervorrichtung 700 ist in 6A angegeben und ist im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 699 angegeben. Das Teil 699 weist einen gelenkigen Armabschnitt mit einer Vielzahl von Elementen oder Verbindungen 702 auf, die durch Schwenkverbindungen oder Gelenke 704 miteinander verbunden sind. Der Chirurg greift das Teil 699 durch Positionieren seines Daumens und Zeigefingers über einem Zangengebilde 706. Der Daumen und Zeigefinger des Chirurgen werden typischerweise durch Riemen (nicht dargestellt), die durch Schlitze 710 gefädelt sind, am Zangengebilde 706 gehalten. Wenn das Zangengebilde 706 zwischen dem Daumen und dem Zeigefinger gequetscht wird, schließen sich die Finger oder die End-Effektor-Elemente des End-Effektors 58. Wenn der Daumen und der Zeigefinger auseinander bewegt werden, bewegen sich die Finger des End-Effektors 58 in Übereinstimmung mit der Auseinanderbewegung des Zangengebildes 706 auseinander. Die Gelenke des Teils 699 sind mit Aktoren, z.B. Elektromotoren oder dergleichen, funktional verbunden, um z.B. eine Kraftrückkopplung, Schwerkraftkompensation und/oder dergleichen vorzusehen, wie nachstehend genauer beschrieben. Ferner sind geeignet angeordnete Sensoren, z.B. Codierer oder Potentiometer oder dergleichen, an jedem Gelenk 704 des Teils 699 angeordnet, um zu ermöglichen, dass die Gelenkpositionen des Teils 699 durch das Steuersystem bestimmt werden.
Das Teil 699 ist typischerweise an einem gelenkigen Arm 712 montiert, wie in 6B angegeben. Das Bezugszeichen 4 in 6A und 6B gibt die Positionen an, in denen das Teil 699 und der gelenkige Arm 712 miteinander verbunden sind. Wenn sie miteinander verbunden sind, kann sich das Teil 699 in einem Winkel um eine Achse bei 4 verlagern.
Der gelenkige Arm 712 umfasst eine Vielzahl von Verbindungen 714, die an Schwenkverbindungen oder Gelenken 716 miteinander verbunden sind. Es ist zu erkennen, dass auch der gelenkige Arm 712 geeignet angeordnete Aktoren, z.B. Elektromotoren oder dergleichen, aufweist, um z.B. eine Kraftrückkopplung, Schwerkraftkompensation und/oder dergleichen vorzusehen. Ferner sind geeignet angeordnete Sensoren, z.B. Codierer oder Potentiometer oder dergleichen, an den Gelenken 716 angeordnet, um zu ermöglichen, dass die Gelenkpositionen des gelenkigen Arms 712 durch das Steuersystem bestimmt werden, wie nachstehend genauer beschrieben.
Um die Orientierung des End-Effektors 58 und/oder seine Position entlang eines Parallelverschiebungsweges zu bewegen, bewegt der Chirurg einfach das Zangengebilde 706, um zu bewirken, dass sich der End-Effektor 58 dorthin bewegt, wo er will, dass sich der End-Effektor 58 im Bild befindet, das in der Betrachtungsvorrichtung 202 betrachtet wird. Folglich wird bewirkt, dass die End-Effektor-Position und/oder -Orientierung jener des Zangengebildes 706 folgt.
Die Master-Steuervorrichtungen 700, 700 sind typischerweise an der Station 200 durch Schwenkverbindungen bei 717 montiert, wie in 6B angegeben. Wie vorher erwähnt, positioniert der Chirurg zum Manipulieren jeder Master-Steuervorrichtung 700 seinen Daumen und Zeigefinger über dem Zangengebilde 706. Das Zangengebilde 706 ist an einem freien Ende des Teils 699 angeordnet, welches wiederum an einem freien Ende des gelenkigen Armabschnitts 712 montiert ist.
Die Elektromotoren und Sensoren, die den Roboterarmen 12 und den an diesen montierten Operationsinstrumenten 14 zugeordnet sind, und die Elektromotoren und Sensoren, die den Master-Steuervorrichtungen 700 zugeordnet sind, sind im Steuersystem funktional verknüpft. Das Steuersystem umfasst typischerweise mindestens einen Prozessor, typischerweise eine Vielzahl von Prozessoren, zum Bewirken der Steuerung zwischen der Master-Steuervorrichtungs-Eingabe und der Roboterarm- und Operationsinstrumenten-Reaktionsausgabe und zum Bewirken einer Steuerung zwischen der Roboterarm- und Operationsinstrumenteneingabe und der Master-Steuerungsreaktionsausgabe im Fall von z.B. einer Kraftrückkopplung.
Bei der Verwendung und wie schematisch in 7 der Zeichnungen angegeben, betrachtet der Chirurg die Operationsstelle durch die Betrachtungsvorrichtung 202. Der End-Effektor 58, der an jedem Arm 12 getragen wird, wird in Reaktion auf Bewegungs- und Handlungseingaben an seinen zugeordneten Master-Steuerungen Positions- und Orientierungsbewegungen durchführen lassen. Die Master-Steuerungen sind schematisch bei 700, 700 angegeben. Es ist zu erkennen, dass während eines chirurgischen Eingriffs Bilder der End-Effektoren 58 durch das Endoskop 304 zusammen mit der Operationsstelle aufgenommen werden und auf der Betrachtungsvorrichtung 202 angezeigt werden, so dass der Chirurg die Reaktionsbewegungen und Handlungen der End-Effektoren 58 sieht, während er solche Bewegungen und Handlungen mittels der Master-Steuervorrichtungen 700, 700 steuert. Das Steuersystem ist dazu beschaffen, zu bewirken, dass die End-Effektor-Orientierungs- und -Positionsbewegung, wie im Bild an der Betrachtungsvorrichtung 202 betrachtet, auf die Orientierungs- und Positionsbewegung eines Zangengebildes der Master-Steuerung abgebildet werden, wie nachstehend genauer beschrieben wird.
Der Betrieb des Steuersystems der minimal invasiven Operationsvorrichtung wird nun genauer beschrieben. In der Beschreibung, die folgt, wird das Steuersystem mit Bezug auf eine einzelne Master-Steuerung 700 und ihren zugeordneten Roboterarm 12 und ihr zugeordnetes Operationsinstrument 14 beschrieben. Die Master-Steuerung 700 wird einfach als "Master" bezeichnet und ihr zugeordneter Roboterarm 12 und ihr zugeordnetes Operationsinstrument 14 werden einfach als "Slave" bezeichnet.
Das Verfahren, durch das die Steuerung zwischen der Master-Bewegung und der entsprechenden Slave-Bewegung durch das Steuersystem der minimal invasiven Operationsvorrichtung erreicht wird, wird nun mit Bezug auf 7 bis 9 der Zeichnungen in Überblickweise beschrieben. Das Verfahren wird dann mit Bezug auf die 10 bis 21 der Zeichnungen genauer beschrieben.
Im Wesentlichen wird die Steuerung zwischen der Master- und der Slave-Bewe gung durch Vergleichen der Master-Position und -Orientierung in einem Kartesischen Koordinatenbezugssystem des Auges mit der Slave-Position und -Orientierung in einem Kartesischen Koordinatenbezugssystem der Kamera erreicht. Für ein leichtes Verständnis und eine Einsparung von Worten wird der Begriff "Kartesisches Koordinatenbezugssystem" im Rest dieser Patentbeschreibung einfach als "Rahmen" bezeichnet. Wenn der Master unbeweglich ist, werden folglich die Slave-Position und -Orientierung innerhalb des Kamerarahmens mit der Maser-Position und -Orientierung im Augenrahmen verglichen und, sollte die Position und/oder Orientierung des Slave im Kamerarahmen nicht der Position und/oder Orientierung des Masters im Augenrahmen entsprechen, wird bewirkt, dass der Slave sich in eine Position und/oder Orientierung im Kamerarahmen bewegt, in der seine Position und/oder Orientierung im Kamerarahmen der Position und/oder Orientierung des Masters im Augenrahmen entspricht. In 8 ist der Kamerarahmen im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 610 angegeben und der Augenrahmen ist im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 612 in 9 angegeben.
Wenn der Master in eine neue Position und/oder Orientierung im Augenrahmen 612 bewegt wird, entsprechen die neue Master-Position und/oder -Orientierung nicht der vorher entsprechenden Slave-Position und/oder -Orientierung im Kamerarahmen 610. Das Steuersystem bewirkt dann, dass sich der Slave in eine neue Position und/oder Orientierung im Kamerarahmen 610 bewegt, in welcher neuen Position und/oder Orientierung seine Position und Orientierung im Kamerarahmen 610 der neuen Position und/oder Orientierung des Masters im Augenrahmen 612 entsprechen.
Es ist zu erkennen, dass das Steuersystem mindestens einen und typischerweise eine Vielzahl von Prozessoren umfasst, die neue entsprechende Positionen und/oder Orientierungen des Slave in Reaktion auf die Master-Bewegungseingabebefehle auf einer kontinuierlichen Basis berechnen, die durch die Verarbeitungszyklusrate des Steuersystems bestimmt ist. Eine typische Verarbeitungszyklusrate des erörterten Steuersystems ist etwa 1300 Hz. Wenn der Master von einer Position zu einer nächsten Position bewegt wird, wird die entsprechende Bewegung, auf die der Slave reagieren muss, somit mit etwa 1300 Hz berechnet. Das Steuersystem kann natürlich eine beliebige geeignete Verarbeitungszyklusrate in Abhängigkeit vom Prozessor oder von den Prozessoren besitzen, die im Steuersystem verwendet werden.
Der Kamerarahmen 610 ist derart angeordnet, dass sein Ursprung 614 am Betrachtungsende 306 des Endoskops 304 angeordnet ist. Zweckmäßigerweise erstreckt sich die z-Achse des Kamerarahmens 610 axial entlang einer Betrachtungsachse 616 des Endoskops 304. Obwohl in 8 die Betrachtungsachse 616 in koaxialer Ausrichtung auf eine Schaftachse des Endoskops 304 gezeigt ist, soll erkannt werden, dass die Betrachtungsachse 616 relativ dazu abgewinkelt sein kann. Folglich kann das Endoskop in Form eines abgewinkelten Endoskops vorliegen. Die x- und die y-Achse sind natürlich in einer zur z-Achse senkrechten Ebene angeordnet. Das Endoskop ist typischerweise um seine Schaftachse in einem Winkel verlagerbar. Die x-, y- und z-Achsen sind relativ zur Betrachtungsachse des Endoskops 304 fest, um sie in einem Winkel um die Schaftachse in Übereinstimmung mit der Winkelverlagerung des Endoskops 304 um seine Schaftachse zu verlagern.
Um zu ermöglichen, dass das Steuersystem die Slave-Position und -Orientierung bestimmt, wird ein Rahmen am End-Effektor 58 definiert oder angebracht. Dieser Rahmen wird im Rest dieser Patentbeschreibung als End-Effektor-Rahmen oder Slave-Spitzenrahmen bezeichnet und ist im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 618 angegeben. Der End-Effektor-Rahmen 618 hat seinen Ursprung an der Schwenkverbindung 60. Zweckmäßigerweise ist eine der Achsen, z.B. die z-Achse, des Rahmens 618 als sich entlang einer Symmetrieachse oder dergleichen des End-Effektors 58 erstreckend definiert. Die x- und y-Achsen erstrecken sich natürlich dann senkrecht zur z-Achse. Es ist zu erkennen, dass die Orientierung des Slave dann durch die Orientierung des Rahmens 618 mit seinem Ursprung an der Schwenkverbindung 60 relativ zum Kamerarahmen 610 definiert ist. Ebenso ist die Position des Slave dann durch die Position des Ursprungs des Rahmens bei 60 relativ zum Kamerarahmen 610 definiert.
Mit Bezug nun auf 9 der Zeichnungen wird der Augenrahmen 612 derart gewählt, dass sein Ursprung einer Position 201 entspricht, in der sich normalerweise die Augen des Chirurgen befinden, wenn er die Operationsstelle an der Betrachtungsvorrichtung 202 betrachtet. Die z-Achse erstreckt sich entlang einer Sichtlinie des Chirurgen, die durch die Achse 620 gekennzeichnet ist, wenn er die Operationsstelle durch die Betrachtungsvorrichtung 202 betrachtet. Die x- und y-Achsen erstrecken sich natürlich am Ursprung 201 senkrecht von der z-Achse. Zweckmäßigerweise wird die y-Achse so gewählt, dass sie sich im Allgemeinen vertikal relativ zur Betrachtungsvorrichtung 202 erstreckt, und die x-Achse wird so gewählt, dass sie sich im Allgemeinen horizontal relativ zur Betrachtungsvorrichtung 202 erstreckt.
Um zu ermöglichen, dass das Steuersystem die Master-Position und -Orientierung innerhalb des Betrachtungsvorrichtungsrahmens 612 bestimmt, wird ein Punkt am Master gewählt, der einen Ursprung eines Master- oder Master-Spitzenrahmens definiert, welcher mit dem Bezugszeichen 622 gekennzeichnet ist. Dieser Punkt wird an einem Schnittpunkt, der mit dem Bezugszeichen 3A gekennzeichnet ist, zwischen den Drehachsen 1 und 3 des Masters gewählt, wie am besten in 6A der Zeichnungen zu sehen ist. Zweckmäßigerweise erstreckt sich die z-Achse des Master-Rahmens 622 am Master entlang einer Symmetrieachse des Zangengebildes 706, das sich koaxial entlang der Drehachse 1 erstreckt. Die x- und y-Achsen erstrecken sich dann am Ursprung 3A senkrecht von der Symmetrieachse 1. Folglich ist die Orientierung des Masters innerhalb des Augenrahmens 612 durch die Orientierung des Master-Rahmens 622 relativ zum Augenrahmen 612 definiert. Die Position des Masters im Augenrahmen 612 ist durch die Position des Ursprungs 3A relativ zum Augenrahmen 612 definiert.
Wie die Position und Orientierung des Slave innerhalb des Kamerarahmens 610 durch das Steuersystem bestimmt werden, wird nun mit Bezug auf 10 der Zeichnungen beschrieben. 10 zeigt ein schematisches Diagramm von einer der Anordnungen des Roboterarms 12 und des Operationsinstruments 14, die am Karren 300 montiert sind. Bevor mit einer Beschreibung von 10 begonnen wird, ist es jedoch geeignet, bestimmte vorher erwähnte Aspekte der Operationsstation 300 zu beschreiben, die sich auf die Bestimmung der Orientierung und Position des Slave relativ zum Kamerarahmen 610 auswirken.
Bei der Verwendung, wenn es erwünscht ist, einen chirurgischen Eingriff mittels der minimal invasiven Operationsvorrichtung durchzuführen, wird die Operationsstation 300 in unmittelbare Nähe eines Patienten bewegt, der den chirurgischen Eingriff erfordert. Der Patient wird normalerweise auf einer Oberfläche wie z.B. einem Operationstisch oder dergleichen gelagert. Um Tragoberflächen mit veränderlicher Höhe zu berücksichtigen und um verschiedene Positionen der Operationsstation 300 relativ zur Operationsstelle, an der der chirurgische Eingriff durchgeführt werden soll, zu berücksichtigen, ist die Operationsstation 300 mit der Fähigkeit versehen, dass sie variierende anfängliche Einrichtungskonfigurationen aufweist. Folglich sind die Roboterarme 12, 12 und der Endoskoparm 302 am Schlitten 97 montiert, der in der Höhe relativ zur Basis 99 des Karrens 300 einstellbar ist, wie durch die Pfeile K angegeben, wie am besten in 1B und 10 der Zeichnungen zu sehen ist. Ferner sind die Roboterarme 12, 12 und der Endoskoparm 302 am Schlitten 97 mittels der Einrichtungsgelenkarme 95 montiert. Folglich können die seitliche Position und Orientierung der Arme 12, 12, 302 durch Bewegen der Einrichtungsgelenkarme 95 ausgewählt werden. Am Beginn des chirurgischen Eingriffs wird der Karren 300 folglich in die Position in unmittelbarer Nähe des Patienten bewegt, eine geeignete Höhe des Schlittens 97 wird durch Bewegen desselben in eine geeignete Höhe relativ zur Basis 99 ausgewählt und die Operationsinstrumente 14 werden relativ zum Schlitten 97 bewegt, um die Schäfte der Instrumente 14 und des Endoskops 304 durch die Eintrittskanäle und in Positionen einzuführen, in denen die End-Effektoren 58 und das Betrachtungsende 306 des Endoskops 304 geeignet an der Operationsstelle positioniert sind und die Drehpunkte mit den Eintrittskanälen zusammenfallen. Sobald die Höhe und die Positionen ausgewählt sind, wird der Schlitten 97 in seiner geeigneten Höhe verriegelt und die Einrichtungsgelenkarme 95 werden in ihren Positionen und Orientierungen verriegelt. Normalerweise wird während des ganzen chirurgischen Eingriffs der Schlitten 97 in der ausgewählten Höhe gehalten und ebenso werden die Einrichtungsgelenkarme 95 in ihren ausgewählten Positionen gehalten. Falls es jedoch erforderlich ist, können entweder das Endoskop oder eines oder beide der Instrumente während des chirurgischen Eingriffs durch andere Eintrittskanäle eingeführt werden.
Wenn nun zu 10 zurückgekehrt wird, werden nun die Bestimmung der Position und Orientierung des Slave innerhalb des Kamerarahmens 610 durch das Steuersystem beschrieben. Es ist zu erkennen, dass dies mittels eines oder mehrerer Prozessoren mit einer speziellen Verarbeitungszyklusrate erreicht wird. Wenn es geeignet ist, sollte somit, sobald in dieser Beschreibung auf Position und Orientierung Bezug genommen wird, daran gedacht werden, dass eine entsprechende Geschwindigkeit auch leicht bestimmt wird. Das Steuersystem bestimmt die Position und Orientierung des Slave innerhalb des Kamerarahmens 610 durch Bestimmen der Position und Orientierung des Slave relativ zu einem Karrenrahmen 624 und durch Bestimmen der Orientierung und Position des Endoskops 304 mit Bezug auf denselben Karrenrahmen 624. Der Karrenrahmen 624 weist einen Ursprung auf, der durch das Bezugszeichen 626 in 10 gekennzeichnet ist.
Um die Position und Orientierung des Slave relativ zum Karrenrahmen 624 zu bestimmen, wird die Position eines Drehpunktrahmens 630, dessen Ursprung am Drehpunkt 49 liegt, innerhalb des Karrenrahmens 624 bestimmt, wie durch den Pfeil 628 in gestrichelten Linien angegeben. Es ist zu erkennen, dass die Position des Drehpunkts 49 normalerweise während des ganzen chirurgischen Eingriffs an derselben Stelle bleibt, die mit einem Eintrittskanal in die Operationsstelle zusammenfällt. Die Position des End-Effektor-Rahmens 618 am Slave, dessen Ursprung an der Schwenkverbindung 60 liegt, wird dann relativ zum Drehpunktrahmen 630 bestimmt und die Orientierung des End-Effektor-Rahmens 618 am Slave wird auch relativ zum Drehpunktrahmen 630 bestimmt. Die Position und Orientierung des End-Effektor-Rahmens 618 relativ zum Karrenrahmen wird dann mittels einer Routineberechnung unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen bestimmt.
Es ist zu erkennen, dass der Roboterarm 302 des Endoskops 304 auf eine Bewegung in ähnlicher Weise zum Roboterarm 10 eingeschränkt ist, wie schematisch in 4 der Zeichnungen angegeben. Folglich definiert das Endoskop 304, wenn es so angeordnet ist, dass sein Betrachtungsende 306 auf die Operationsstelle gerichtet ist, auch einen Drehpunkt, der mit seinem zugeordneten Eintrittskanal in die Operationsstelle zusammenfällt. Der Endoskoparm 302 kann angetrieben werden, um zu bewirken, dass sich das Endoskop 304 während eines chirurgischen Eingriffs in eine andere Position bewegt, um dem Chirurgen zu ermöglichen, die Operationsstelle im Verlauf der Durchführung des chirurgischen Eingriffs von einer anderen Position zu betrachten. Es ist zu erkennen, dass die Bewegung des Betrachtungsendes 306 des Endoskops 304 durch Verändern der Orientierung des Endoskops 304 relativ zu seinem Schwenkzentrum oder Drehpunkt durchgeführt wird. Die Position und Orientierung des Kamerarahmens 610 innerhalb des Karrenrahmens 624 wird in ähnlicher Weise wie die Position und Orientierung des Slave innerhalb des Karrenrahmens 624 bestimmt. Wenn die Position und Orientierung des Kamerarahmens 610 relativ zum Karrenrahmen 624 und die Position und Orientierung des Slave relativ zum Karrenrahmen 624 in dieser Weise bestimmt wurden, sind die Position und Orientierung des Slave relativ zum Kamerarahmen 610 leicht durch Routineberechnung unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen bestimmbar.
Wie die Position und Orientierung des Masters innerhalb des Betrachtungsvorrichtungsrahmens 612 durch das Steuersystem bestimmt werden, wird nun mit Bezug auf 11 der Zeichnungen beschrieben. 11 zeigt ein schematisches Diagramm der Master-Steuerungen 700 an der Bedienungspersonenstation 200.
Die Bedienpersonenstation 200 umfasst wahlweise auch Einrichtungsgelenkarme, wie bei 632 angegeben, um zu ermöglichen, dass die allgemeine Stelle der Master 700, 700 verändert wird, um sie an den Chirurgen anzupassen. Folglich kann die allgemeine Position der Master 700, 700 selektiv verändert werden, um die Master 700, 700 in eine allgemeine Position zu bringen, in der sie für den Chirurgen komfortabel angeordnet sind. Wenn die Master 700, 700 somit komfortabel angeordnet sind, werden die Einrichtungsgelenkarme 632 in der Position verriegelt und werden normalerweise während des ganzen chirurgischen Eingriffs in dieser Position gehalten.
Um die Position und Orientierung des Masters 700, wie in 11 angegeben, innerhalb des Augenrahmens 612 zu bestimmen, werden die Position und Orientierung des Augenrahmens 612 relativ zum Stationsrahmen 634 eines Chirurgen und die Position und Orientierung des Masters 700 relativ zum Rahmen 634 des Chirurgen bestimmt. Der Stationsrahmen 634 des Chirurgen hat seinen Ursprung an einer Stelle, die normalerweise während des chirurgischen Eingriffs unbeweglich ist und bei 636 angegeben ist.
Um die Position und Orientierung des Masters 700 relativ zum Stationsrahmen 634 zu bestimmen, wird eine Position eines Master-Einrichtungsrahmens 640 an einem Ende der Einrichtungsgelenkarme 632, an denen der Master 700 montiert ist, relativ zum Stationsrahmen 636 bestimmt, wie durch den Pfeil 638 in gestrichelten Linien angegeben. Die Position und Orientierung des Master-Rahmens 622 am Master 700, dessen Ursprung bei 3A liegt, wird dann relativ zum Master-Einrichtungsrahmen 640 bestimmt. In dieser Weise können die Position und Orientierung des Master-Rahmens 622 relativ zum Rahmen 634 mittels Routineberechnung unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen bestimmt werden. Die Position und Orientierung des Augenrahmens 612 relativ zum Stationsrahmen 634 werden in ähnlicher Weise bestimmt. Es ist zu erkennen, dass die Position der Betrachtungsvorrichtung 202 relativ zum Rest der Konsole 200 des Chirurgen selektiv verändert werden können, um sie an den Chirurgen anzupassen. Die Position und Orientierung des Master-Rahmens 622 relativ zum Augenrahmen 612 können dann aus der Position und Orientierung des Master-Rahmens 622 und des Augenrahmens 612 relativ zum Stationsrahmen 634 des Chirurgen mittels Routineberechnung unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen bestimmt werden.
In der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt das Steuersystem der minimal invasiven Operationsvorrichtung die Position und Orientierung des End-Effektors 58 mittels des End-Effektor-Rahmens 618 im Kamerarahmen 610 und bestimmt ebenso die Position und Orientierung des Masters mittels des Master-Rahmens 622 relativ zum Augenrahmen 612.
Wie erwähnt, greift der Chirurg den Master durch Anordnen seines Daumens und Zeigefingers über dem Zangengebilde 706. Wenn der Daumen und Zeigefinger des Chirurgen am Zangengebilde angeordnet sind, ist der Schnittpunkt 3A einwärts von den Daumen- und Zeigefingerspitzen angeordnet. Der Master-Rahmen, dessen Ursprung bei 3A liegt, wird effektiv auf den End-Effektor-Rahmen 618 abgebildet, dessen Ursprung an der Schwenkverbindung 60 des End-Effektors 58 liegt, wie durch den Chirurgen in der Betrachtungsvorrichtung 202 betrachtet. Wenn der chirurgische Eingriff durchgeführt wird und der Chirurg die Position und Orientierung des Zangengebildes 706 manipuliert, um zu bewirken, dass die Position und Orientierung des End-Effektors 58 folgen, scheint es für den Chirurgen somit, dass sein Daumen und Zeigefinger auf die Finger des End-Effektors 58 abgebildet werden und dass die Schwenkverbindung 60 des End-Effektors 58 einem virtuellen Schwenkpunkt des Daumens und Zeigefingers des Chirurgen einwärts von den Spitzen des Daumens und Zeigefingers entspricht. Es ist zu erkennen, dass in Abhängigkeit von der tatsächlichen Konfiguration des Zangengebildes, insbesondere des Schnittpunkts der Achsen 1 und 3 relativ zur Position des Zangengebildes 706, der Rahmen 622 am Master 700 vom Schnittpunkt 3A versetzt sein kann, um sich einem Punkt relativ zur Hand des Chirurgen zu nähern, an welchem Punkt die Schwenkverbindung 60 ungefähr entspricht.
Wenn der chirurgische Eingriff durchgeführt wird, verfolgen die Position und Orientierung der Finger des End-Effektors folglich die Orientierungs- und Positionsänderungen des Daumens und Zeigefingers des Chirurgen in einer natürlichen intuitiven oder überlagerten Weise. Ferner entspricht die Betätigung des End-Effektors 58, nämlich das Bewirken, dass sich die End-Effektor-Finger selektiv öffnen und schließen, intuitiv dem Öffnen und Schließen des Daumens und Zeigefingers des Chirurgen. Folglich wird die Betätigung des End-Effektors 58, wie in der Betrachtungsvorrichtung 302 betrachtet, vom Chirurgen in einer natürlichen intuitiven Weise durchgeführt, da der Schwenkpunkt 60 des End-Effektors 58 ungefähr auf einen virtuellen Schwenkpunkt zwischen dem Daumen und Zeigefinger des Chirurgen abgebildet wird.
Es ist zu erkennen, dass der End-Effektor-Rahmen 618, wenn geeignet, relativ zur Schwenkverbindung 60 versetzt sein kann. Sollte der End-Effektor beispielsweise Finger mit relativ langer Länge aufweisen, kann der Ursprung des End-Effektor-Rahmens somit in einer Richtung zu den End-Effektor-Fingerspitzen hin versetzt sein. Es ist auch zu erkennen, dass unter Verwendung der Positions- und/oder Orientierungsversätze zwischen dem Master-Rahmen 622 und dem Schnittpunkt 3A sowie zwischen dem End-Effektor-Rahmen 618 und der Schwenkverbindung 60 die Abbildung des Zangengebildes 706 auf den End-Effektor 58 verschoben werden kann, beispielsweise um die Spitzen des Zangengebildes auf die Spitzen des End-Effektors abzubilden.
Es ist zu erkennen, dass der Karrenrahmen 624 an einer beliebigen zweckmäßigen Stelle gewählt werden kann, an der sein Ursprung einer Stelle am Karren 300 entspricht, die sich nicht relativ zu seiner Basis 99 ändert. Der Stationsrahmen 634 des Chirurgen kann ebenso an einer beliebigen zweckmäßigen Stelle gewählt werden, so dass sein Ursprung in einer Position liegt, die sich relativ zu einer Basis 642 davon nicht ändert. Um die Position und Orientierung des Kamerarahmens 610 relativ zum Karrenrahmen 624 zu bestimmen, kann ferner von einer Vielzahl von verschiedenen Zwischenrahmenpfaden Gebrauch gemacht werden. Um die Position und Orientierung des End-Effektor-Rahmens 618 relativ zum Karrenrahmen 624 zu bestimmen, kann auch von einer Vielzahl von verschiedenen Zwischenrahmenpfaden Gebrauch gemacht werden.
Es wurde jedoch festgestellt, dass, sollten die Zwischenrahmenpfade geeignet ausgewählt werden, das Steuersystem dann so beschaffen ist, dass es leicht anpassbar ist, um einem modularen Austausch von modularen Teilen mit anderen Eigenschaften als die ausgetauschten modularen Teile gerecht zu werden. Es ist zu erkennen, dass die Auswahl von Zwischenrahmen auch den Rechenprozess erleichtert, der am Bestimmen der Master- und Slave-Position und -Orientierung beteiligt ist.
Mit erneutem Bezug auf 10 der Zeichnungen wird der Karrenrahmen bei 624 gewählt, wie bereits erwähnt. Es ist zu erkennen, dass das Bestimmen der Po sition des Drehpunktrahmens 630 relativ zum Karrenrahmen 624 durch geeignet angeordnete Sensoren wie z.B. Potentiometer, Codierer oder dergleichen erreicht wird. Zweckmäßigerweise wird die Drehpunktrahmenposition 630 relativ zum Karrenrahmen 624 durch zwei Zwischenrahmen bestimmt. Einer der Rahmen ist ein Schlittenführungsrahmen 644, der seinen Ursprung an einer zweckmäßigen Stelle an einer Führung hat, entlang welcher der Schlitten 97 geführt wird. Der andere Rahmen, ein Armplattformrahmen, der bei 646 angegeben ist, ist an einem Ende des Einrichtungsgelenkarms 95 angeordnet, an dem der Roboterarm 12 montiert ist. Wenn die Slave-Position und -Orientierung relativ zum Karrenrahmen 624 bestimmt werden, wird folglich die Position des Schlittenführungsrahmens 644 relativ zum Karrenrahmen 624 bestimmt, dann wird die Position des Plattformrahmens 646 relativ zum Schlittenführungsrahmen 644 bestimmt, dann wird der Drehpunktrahmen 630 relativ zum Plattformrahmen 646 bestimmt und dann werden die Slave-Orientierung und -Position relativ zum Drehpunktrahmen 630 bestimmt, wodurch die Slave-Position und -Orientierung relativ zum Karrenrahmen 624 bestimmt werden. Es ist zu erkennen, dass die Slave-Position und -Orientierung relativ zum Karrenrahmen 624 in dieser Weise für jeden Arm 10 und in ähnlicher Weise für den Kamerarahmen 610 durch seinen Arm 302 relativ zum Karrenrahmen 624 bestimmt werden.
Mit Bezug auf 11 werden die Position und Orientierung der Master-Steuerung durch Bestimmen der Position eines Basisrahmens 648 relativ zum Stationsrahmen 634 des Chirurgen, dann durch Bestimmen der Position des Plattformrahmens 640 relativ zum Basisrahmen 648 und dann durch Bestimmen der Master-Position und -Orientierung relativ zum Plattformrahmen 640 bestimmt. Die Position und Orientierung des Master-Rahmens 622 relativ zum Stationsrahmen 634 des Chirurgen werden dann leicht durch Routineberechnung unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen bestimmt. Es ist zu erkennen, dass die Position und Orientierung des anderen Master-Rahmens relativ zum Chirurgenkonsolenrahmen 634 in einer ähnlichen Weise bestimmt werden.
Mit Bezug auf 10 kann durch Wählen der Rahmen, wie beschrieben, das Einrichtungsgelenk 95 gegen ein anderes Einrichtungsgelenk ausgetauscht werden, während derselbe Roboterarm verwendet wird. Das Steuersystem kann dann mit Informationen, z.B. Armlängen und/oder dergleichen, in Bezug auf nur das neue Einrichtungsgelenk programmiert werden. Ebenso kann der Roboterarm 10 gegen einen anderen Arm ausgetauscht werden, wobei das Steuersystem dann eine Programmierung mit Informationen, z.B. Drehpunktposition und/oder dergleichen, in Bezug auf nur den neuen Roboterarm erfordert. Es ist zu erkennen, dass der Endoskoparm 302 und sein zugeordnetes Einrichtungsgelenk in dieser Weise auch unabhängig ausgetauscht werden können, wobei das Steuersystem dann eine Programmierung mit Informationen nur in Bezug auf das ausgetauschte Teil erfordert. Ferner können in Bezug auf 11 das Einrichtungsgelenk und die Master-Steuerung auch unabhängig ausgetauscht werden, wobei das Steuersystem eine Programmierung mit Informationen in Bezug auf die Eigenschaften nur des neuen Teils erfordert.
Weitere Aspekte des Steuersystems der minimal invasiven Operationsvorrichtung werden nun mit Bezug auf 12 beschrieben.
12 gibt die Steuerschritte an, durch die das Steuersystem der minimal invasiven Operationsvorrichtung die Slave-Position und -Orientierung bestimmt, nämlich die Position und Orientierung des End-Effektor-Rahmens 618 im Kamerarahmen 610.
Die Position oder die Versätze des Schlittenführungsrahmens 644 relativ zum Karrenrahmen 624 sind bei 621 angegeben. Die Versätze bei 621 werden durch einen Vorwärtskinematikblock (FKIN) bei 623 geführt, um entsprechende Kartesische Koordinaten des Rahmens 644 relativ zum Karrenrahmen 624 zu liefern.
Sensoren 625, die dem Einrichtungsgelenkarm 95 funktional zugeordnet sind, und Sensoren, die die Höhe des Schlittens 97 bestimmen, werden von einem Prozessor 627 gelesen, um Parallelverschiebungs- und Gelenkpositionen zu bestimmen. Die Parallelverschiebungs- und Gelenkpositionen werden dann in einen FKIN-Block 629 eingegeben, um entsprechende Kartesische Koordinaten zu bestimmen. Bei 631 werden die Kartesischen Koordinaten des Schlittenführungsrahmens 644 relativ zum Karrenrahmen 624 und die Kartesischen Koordinaten des Plattformrahmens 646 relativ zum Schlittenrahmen 644 verwendet, um die Kartesischen Koordinaten des Plattformrahmens 646 relativ zum Karrenrahmen 624 zu bestimmen.
Da die Position des Drehpunkts 49 relativ zum Plattformrahmen 646 sich nicht ändert, wird ein Versatz relativ zum Plattformrahmen 646, der bei 633 angegeben ist, in eine FKIN-Steuereinheit bei 635 eingegeben, um die Kartesischen Koordi naten des Drehpunktrahmen 630 relativ zum Plattformrahmen 646 zu liefern. Es ist zu erkennen, dass, wenn geeignet, der Begriff FKIN-Steuereinheit so interpretiert werden soll, dass er eine geeignete Umwandlungsmatrix und geeignete kinematische Beziehungen umfasst. Bei 637 werden die Kartesischen Koordinaten des Drehpunktrahmens 630 relativ zum Karrenrahmen 624 mittels der bei 631 bzw. 635 bestimmten Werte bestimmt.
Es ist zu erkennen, dass in ähnlicher Weise die Kartesischen Koordinaten des Drehpunkts des Endoskops relativ zum Karrenrahmen 624 bestimmt werden. Dies ist bei 639 angegeben.
Wie erwähnt, können die Position und Orientierung des Endoskops 304 verändert werden. Die Position und Orientierung des Endoskops 304 können während der Einrichtung des Karrens 300, bevor der chirurgische Eingriff beginnt, oder während der Durchführung eines chirurgischen Eingriffs, sollte es der Chirurg wünschen, die Operationsstelle von einer anderen Stelle aus zu betrachten, verändert werden.
Um dem Steuersystem zu ermöglichen, die Endoskopposition und -orientierung relativ zum Karrenrahmen 624 zu bestimmen, sind Sensoren an seinem zugeordneten Arm 302 vorgesehen. Diese Sensoren, die bei 641 angegeben sind, werden von einem Prozessor bei 643 gelesen, um die Gelenkpositionen zu bestimmen. Die so bestimmten Gelenkpositionen werden einer FKIN-Steuereinheit bei 645 zusammen mit den bei 639 bestimmten Kartesischen Koordinaten zugeführt, um die Endoskoporientierung und -position relativ zum Karrenrahmen 624 zu bestimmen. Diese Werte werden dann in 647 zusammen mit den bei 637 bestimmten Werten eingegeben, um zu ermöglichen, dass der Drehpunktrahmen 630 des Slave relativ zum Kamerarahmen 610 bestimmt wird.
Während des Verlaufs des chirurgischen Eingriffs ändern sich normalerweise die Slave-Orientierung und -Position ständig. Veränderliche Gelenkpositionen und -geschwindigkeiten werden in eine FKIN-Steuereinheit bei 653 zusammen mit den Kartesischen Koordinatenwerten der Slave-Position relativ zum Kamerarahmen, die bei 647 bestimmt werden, eingespeist, um die Kartesische Position und Geschwindigkeit des Slave zu liefern, nämlich des End-Effektor-Rahmens 618 relativ zum Kamerarahmen 610, wie durch Pfeile 655 bzw. 657 angegeben. Zur Einsparung von Worten soll die Kartesische Position im Rest dieser Patentbe schreibung, wenn es geeignet ist, so interpretiert werden, dass sie die Kartesische Orientierung umfasst. Die veränderlichen Gelenkpositionen und -geschwindigkeiten werden in den FKIN-Block 653 von einer Simulationsdomäne eingespeist, wie nachstehend genauer beschrieben.
Mit Bezug nun auf 13 werden nun die Master-Position und -Orientierung relativ zum Betrachtungsvorrichtungsrahmen 612 beschrieben.
Der Basisrahmen 648 ändert sich normalerweise relativ zum Chirurgenstationsrahmen 634 nicht. Ebenso ändert sich der Rahmen bei 640 relativ zum Basisrahmen 648 normalerweise nicht. Wie erwähnt, können Einrichtungsgelenke wahlweise bei 632 vorgesehen sein, falls erforderlich. Für die Beschreibung, die folgt, wird angenommen, dass die Position des Rahmens bei 640 relativ zum Basisrahmen 648 unveränderlich ist. Wenn Einrichtungsgelenkarme bei 632 vorgesehen sind, würden natürlich dann geeignete Sensoren vorgesehen werden, um zu ermöglichen, dass die Position des Rahmens bei 640 relativ zum Rahmen bei 648 bestimmt wird.
Mit Bezug nun auf 13 werden Versätze, die die Position des Rahmens 648 relativ zum Chirurgenstationsrahmen 634 bestimmen, wie bei 659 angegeben, durch eine FKIN-Steuereinheit 665 geführt, um Kartesische Koordinaten des Basisrahmens 648 relativ zum Chirurgenstationsrahmen 634 zu liefern. Ebenso werden Versätze in Bezug auf die Position des Rahmens 640 relativ zur Position des Basisrahmens 648, wie bei 661 angegeben, durch eine FKIN-Steuereinheit bei 663 geführt, um Kartesische Koordinaten des Rahmens 640 relativ zum Basisrahmen 648 zu liefern. Aus den bei 665, 663 abgeleiteten Werten werden die Kartesischen Koordinaten des Rahmens 640 relativ zum Chirurgenstationsrahmen 634 bei 667 bestimmt.
Die Versätze bei 697 in Bezug auf einen Betrachtungsvorrichtungs-Basisrahmen, in 11 nicht angegeben, werden durch eine FKIN-Steuereinheit bei 669 geführt, um entsprechende Kartesische Koordinaten des Basisrahmens relativ zum Rahmen 634 zu liefern. Die Betrachtungsvorrichtung 202 kann in der Position relativ zum Rest der Bedienungspersonenstation 200 einstellbar sein. Um zu ermöglichen, dass eine Betrachtungsvorrichtungsposition relativ zum Betrachtungsvorrichtungs-Basisrahmen bestimmt wird, sind geeignet angeordnete Sensoren 671 vorgesehen. Sensormesswerte von diesen Sensoren bei 671 werden bei 673 ver arbeitet, um Gelenk- oder Parallelverschiebungspositionen zu bestimmen, die dann durch eine FKIN-Steuereinheit bei 675 geführt werden, um die Kartesischen Koordinaten des Betrachtungsvorrichtungsrahmens relativ zum Betrachtungsvorrichtungs-Basisrahmen zu liefern. Bei 677 wird die Betrachtungsvorrichtungs-Rahmenposition in Kartesischen Koordinaten relativ zum Chirurgenstationsrahmen 634 aus den bei 669 bzw. 675 abgeleiteten Werten bestimmt.
Versätze entsprechend der Position der Augen des Chirurgen relativ zum Betrachtungsvorrichtungsrahmen bei 679 werden durch eine FKIN-Steuereinheit bei 681 geführt, um Kartesische Koordinaten der Position der Augen des Chirurgen relativ zum Betrachtungsvorrichtungsrahmen zu liefern. Bei 683 werden die Werte von 677 und 681 verwendet, um den Augenrahmen 612 des Chirurgen relativ zum Chirurgenstationsrahmen 634 zu bestimmen.
Bei 685 werden die Werte von 667 und 683 verwendet, um die Position des Rahmens 640 relativ zum Augenrahmen 612 zu liefern.
Die Master-Position und -Orientierung relativ zum Augenrahmen 612 ändern sich natürlich während des Verlaufs eines chirurgischen Eingriffs kontinuierlich. Die Sensoren am Master 700, die bei 687 angegeben sind, werden von einem Prozessor bei 689 gelesen, um die Master-Gelenkposition- und -geschwindigkeit zu bestimmen. Diese Gelenkpositions- und -geschwindigkeitswerte werden dann durch eine FKIN-Steuereinheit bei 691 zusammen mit dem bei 685 abgeleiteten Wert geführt, um die Kartesischen Master-Positions- und -geschwindigkeitswerte 693, 695 in Bezug auf die Kartesische Position und Geschwindigkeit des Master-Rahmens 622 relativ zum Augenrahmen 612 zu liefern.
Beim Beginn eines chirurgischen Eingriffs wird eine anfängliche Position des Masters 700 so festgelegt, dass sie einer anfänglichen Position des Slave entspricht. Anschließend, wenn der Master 700 bewegt wird, überwacht das Steuersystem eine solche Bewegung und befiehlt dem Slave, die Master-Bewegung zu verfolgen. Am Beginn eines chirurgischen Eingriffs wird folglich der Rahmen 618 am Slave an der Schwenkverbindung 60 relativ zu seinem Bezugsrahmen 610 am Betrachtungsende 306 des Endoskops 304 in der anfänglichen Position auf den Master-Rahmen 622 relativ zu seinem Bezugsaugenrahmen 612 in seiner anfänglichen Position abgebildet. Ebenso bildet das System eine anfängliche Orientierung des Zangengebilderahmens 622 auf eine anfängliche Orientierung des End- Effektor-Rahmens 618 ab. Folglich wird auch bewirkt, dass die Orientierung des End-Effektor-Rahmens 618 die Orientierung des Master-Rahmens 622 verfolgt. Die Position und Orientierung des Slave im Kamerarahmen 610 muss nicht identisch der Position und Orientierung des Masters im Augenrahmen 612 entsprechen. Folglich können Versätze in Bezug auf die Orientierung und die Position des End-Effektor-Rahmens 618 relativ zum Kamerarahmen 610 eingeführt werden, um eine beliebige End-Effektor-Rahmenposition und -orientierung zu definieren, die der Position und Orientierung des Master-Rahmens 622 im Augenrahmen 612 entsprechen. Es ist zu erkennen, dass das Steuersystem leicht die Orientierung und die Position des End-Effektor-Rahmens 618 relativ zum Kamerarahmen 610, in denen er jener des Master-Rahmens relativ zum Augenrahmen entsprechen soll, mittels der vorstehend erörterten Rahmen und Versätze bestimmen kann. Selbst während des Verlaufs eines chirurgischen Eingriffs kann folglich, wenn die Steuerung zwischen dem Master und dem Slave unterbrochen wird und das Endoskop bewegt wird oder eines oder beide der Operationsinstrumente durch verschiedene Eintrittskanäle umpositioniert werden oder die Master-Positionen an der Konsole des Chirurgen geändert werden oder dergleichen, eine erneute Abbildung des Slave relativ zum Master in ihren jeweiligen Kamera- und Augenrahmen durch das Steuersystem leicht erreicht werden.
Das Steuersystem, das im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 810 gekennzeichnet ist, wird nun mit Bezug auf 14 der Zeichnungen genauer beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Teile oder Aspekte zu bezeichnen, wenn nicht anders angegeben.
Wie vorher erwähnt, besitzt die Master-Steuerung 700 Sensoren, z.B. Codierer oder Potentiometer oder dergleichen, die dieser zugeordnet sind, um zu ermöglichen, dass das Steuersystem 810 die Position der Master-Steuerung 700 im Gelenkraum bestimmt, während sie von einer Position zu einer nächsten Position auf einer kontinuierlichen Basis während des Verlaufs der Durchführung eines chirurgischen Eingriffs bewegt wird. In 14 sind Signale von diesen Positionssensoren durch den Pfeil 814 angegeben. Positionsmesswerte, die von den Sensoren bei 687 gemessen werden, werden von dem bei 689 (siehe 13) angegebenen Prozessor gelesen. Es ist zu erkennen, dass, da die Master-Steuerung 700 eine Vielzahl von Gelenken umfasst, die ein Armelement davon mit dem nächsten verbinden, ausreichend Positionssensoren am Master 700 vorgesehen sind, um zu ermöglichen, dass die Winkelposition jedes Armelements relativ zum Armelement, mit dem es verbunden ist, bestimmt wird, um dadurch zu ermöglichen, dass die Position und Orientierung des Master-Rahmens 622 am Master bestimmt werden. Wenn die Winkelpositionen eines Armelements relativ zum Armelement, mit dem es verbunden ist, zyklisch vom Prozessor 689 in Reaktion auf Bewegungen, die an der Master-Steuerung 700 durch den Chirurgen ausgelöst werden, gelesen werden, ändern sich die Winkelpositionen kontinuierlich. Der Prozessor bei 689 liest diese Winkelpositionen und berechnet die Rate, mit der sich diese Winkelpositionen ändern. Folglich liest der Prozessor 689 Winkelpositionen und berechnet die Rate der Winkeländerung oder Gelenkgeschwindigkeit auf einer kontinuierlichen Basis entsprechend der System-Verarbeitungszykluszeit, d.h. 1300 Hz. Gelenkpositions- und Gelenkgeschwindigkeitsbefehle, die bei 689 so berechnet werden, werden dann in die Vorwärtskinematik-Steuereinheit (FKIN-Steuereinheit) bei 691 eingegeben, wie bereits vorstehend beschrieben.
An der FKIN-Steuereinheit 691 werden die Positionen und Geschwindigkeiten im Gelenkraum in entsprechende Positionen und Geschwindigkeiten im Kartesischen Raum relativ zum Augenrahmen 612 (siehe 11 und 13) transformiert. Die FKIN-Steuereinheit 691 ist ein Prozessor, der typischerweise eine Jakobische (J) Matrix verwendet, um dies durchzuführen. Es ist zu erkennen, dass die Jakobische Matrix Winkelpositionen und -geschwindigkeiten in entsprechende Positionen und Geschwindigkeiten im Kartesischen Raum mittels herkömmlicher trigonometrischer Beziehungen transformiert. Somit werden entsprechende Positionen und Geschwindigkeiten im Kartesischen Raum oder Kartesische Geschwindigkeits- und Positionsbefehle durch die FKIN-Steuereinheit 691 berechnet, die Kartesischen Positions- und Geschwindigkeitsänderungen des Master-Rahmens 622 im Augenrahmen 612 entsprechen.
Die Geschwindigkeit und die Position im Kartesischen Raum werden in eine Kartesische Steuereinheit, die bei 820 angegeben ist, und in einen Skalierungs- und Versatzwandler, der bei 822 angegeben ist, eingegeben.
Die minimal invasive Operationsvorrichtung sieht eine Skalierungsänderung zwischen der Master-Steuerungs-Eingabebewegung und der Slave-Reaktionsausgabebewegung vor. Somit kann eine Skalierung ausgewählt werden, bei der beispielsweise eine Bewegung von 1 Inch der Master-Steuerung 700 in eine entsprechende Reaktionsbewegung von 1/5 Inch am Slave transformiert wird. Im Skalierungs- und Versatzschritt 822 werden die Kartesischen Positions- und Geschwindigkeitswerte gemäß der ausgewählten Skalierung skaliert, um den chirurgischen Eingriff durchzuführen. Wenn eine Skalierung von 1:1 ausgewählt wurde, wird natürlich bei 822 keine Änderung der Skalierung durchgeführt. Ebenso werden Versätze berücksichtigt, die die entsprechende Position und/oder Orientierung des End-Effektor-Rahmens 618 im Kamerarahmen 610 relativ zur Position und Orientierung des Master-Rahmens 622 im Augenrahmen 612 bestimmen.
Nachdem ein Skalierungs- und Versatzschritt bei 822 durchgeführt ist, werden eine resultierende gewünschte Slave-Position und gewünschte Slave-Geschwindigkeit im Kartesischen Raum in eine simulierte oder virtuelle Domäne bei 812 eingegeben, wie durch Pfeile 811 angegeben. Es ist zu erkennen, dass die Bezeichnung des Blocks 812 als simulierte oder virtuelle Domäne nur zur Identifikation dient. Folglich wird die nachstehend beschriebene simulierte Steuerung durch Elemente außerhalb des Blocks 812 auch durchgeführt.
Die simulierte Domäne 812 wird nachstehend genauer beschrieben. Die der gewünschten Slave-Geschwindigkeit und -Position in der virtuellen Domäne 812 auferlegten Schritte werden jedoch für ein leichtes Verständnis der Beschreibung, die folgt, nun allgemein beschrieben. Im Wesentlichen werden eine momentane Slave-Position und -Geschwindigkeit kontinuierlich in der virtuellen oder simulierten Domäne 812 überwacht. Die gewünschte Slave-Position und -Geschwindigkeit werden mit der momentanen Slave-Position und Geschwindigkeit verglichen. Sollten die gewünschte Slave-Position und/oder -Geschwindigkeit, wie von 822 eingegeben, keine Überschreitung von Begrenzungen, z.B. Geschwindigkeit und/oder Position und/oder Singularität und/oder dergleichen, wie in der virtuellen Domäne 812 festgelegt, verursachen, werden eine ähnliche Kartesische Slave-Geschwindigkeit und -Position aus der virtuellen Domäne 812 ausgegeben und in einen inversen Skalierungs- und Versatzwandler, wie bei 826 angegeben, eingegeben. Die ähnliche Geschwindigkeit und Position, die im Kartesischen Raum aus der virtuellen Domäne 812 ausgegeben werden, sind durch Pfeile 813 angegeben und entsprechen tatsächlichen Befehlen im Gelenkraum, die aus der virtuellen Domäne 812 ausgegeben werden, wie durch Pfeile 815 angegeben, wie nachstehend genauer beschrieben wird. Aus dem inversen Skalierungs- und Versatzwandler 826, der den Skalierungs- und Versatzschritt von 822 umgekehrt durchführt, werden die umgekehrte Kartesische Position und Geschwindigkeit in die Kartesische Steuereinheit bei 820 eingegeben. An der Kartesischen Steuereinheit 820 werden die ursprüngliche Kartesische Position und Geschwindigkeiten, wie aus der FKIN-Steuereinheit 691 ausgegeben, mit der Kartesischen Position und Geschwindigkeit, die von der simulierten Domäne 812 eingegeben werden, verglichen. Wenn keine Begrenzungen in der simulierten Domäne 812 überschritten werden würden, wären die Geschwindigkeits- und Positionswerte, die von der FKIN-Steuereinheit 691 eingegeben werden, dieselben wie die Geschwindigkeits- und Positionswerte, die von der simulierten Domäne 812 eingegeben werden. In einem solchen Fall wird ein Nullfehlersignal von der Kartesischen Steuereinheit 820 erzeugt.
Im Fall, dass die gewünschte Kartesische Slave-Position und -Geschwindigkeit, die bei 811 eingegeben werden, eine oder mehrere festgelegte Begrenzungen überschreiten würden, werden die gewünschten Werte so eingeschränkt, dass sie innerhalb der Grenzen der Begrenzungen bleiben. Folglich wären die Kartesische Geschwindigkeit und Position, die von der simulierten Domäne 812 zur Kartesischen Steuereinheit 820 weitergeleitet werden, dann nicht dieselben wie die Werte von der FKIN-Steuereinheit 691. In einem solchen Fall wird, wenn die Werte durch die Kartesische Steuereinheit 820 verglichen werden, ein Fehlersignal erzeugt.
Die Art von Begrenzungen, die der gewünschten Kartesischen Slave-Position und -Geschwindigkeit auferlegt werden, werden nachstehend genauer beschrieben.
Unter der Annahme, dass ein Nullfehler an der Kartesischen Steuereinheit 820 erzeugt wird, wird kein Signal von der Kartesischen Steuereinheit oder vom Kartesischen Wandler 820 geleitet. Im Fall, dass ein Fehlersignal erzeugt wird, wird das Signal durch einen Summierungsübergang 827 zu einer Master-Umsetzungskinematik-Steuereinheit 828 geleitet.
Das Fehlersignal wird typischerweise verwendet, um eine Kartesische Kraft zu berechnen. Die Kartesische Kraft wird typischerweise beispielsweise gemäß der folgenden Formel berechnet: FKARREN = K(Δx) + B(Δx)ẋ)wobei K eine Federkonstante ist, B eine Dämpfungskonstante ist, Δẋ die Differenz zwischen den Kartesischen Geschwindigkeitseingaben in die Kartesische Steuereinheit 820 ist und Δx die Differenz zwischen den Kartesischen Positionseingaben in die Kartesische Steuereinheit 820 ist. Es ist zu erkennen, dass für einen Orientierungsfehler ein entsprechendes Drehmoment im Kartesischen Raum gemäß herkömmlichen Verfahren bestimmt wird.
Die Kartesische Kraft entspricht einem Betrag, um den sich die gewünschte Slave-Position und/oder -Geschwindigkeit über die Begrenzungen hinaus erstreckt, die in der simulierten Domäne 812 auferlegt werden. Die Kartesische Kraft, die sich aus einer Geschwindigkeitsbegrenzung, einer Positionsbegrenzung und/oder einer Singularitätsbegrenzung ergeben könnte, wie nachstehend genauer beschrieben, wird dann mittels der Master-Umsetzungskinematik-Steuereinheit 828, die typischerweise einen Prozessor umfasst, der eine Jakobische Umsetzungs-(J^T)Matrix und kinematische Beziehungen verwendet, um die Kartesische Kraft in ein entsprechendes Drehmoment im Gelenkraum umzuwandeln, in ein entsprechendes Drehmomentsignal umgewandelt. Das so bestimmte Drehmoment wird dann in einen Prozessor bei 830 eingegeben, wodurch geeignete elektrische Ströme für die Motoren, die dem Master 700 zugeordnet sind, berechnet und zu den Motoren geliefert werden. Diese Drehmomente werden dann an die Motoren, die der Master-Steuerung 700 funktional zugeordnet sind, angelegt. Der Effekt dessen besteht darin, dass der Chirurg einen Widerstand an der Master-Steuerung, entweder gegen eine Bewegung derselben mit der Rate, mit der er die Master-Steuerung dazu bringt, sich zu bewegen, oder gegen die Bewegung derselben in die Position, in die er die Master-Steuerung dazu bringt, sich zu bewegen, erfahren. Der Widerstand gegen die Bewegung an der Master-Steuerung liegt am Drehmoment an den Motoren, die dieser funktional zugeordnet sind. Folglich gilt, je höher die auf die Master-Steuerung aufgebrachte Kraft ist, um die Master-Steuerung dazu zu bringen, sich in eine Position jenseits der auferlegten Begrenzung zu bewegen, desto höher ist der Betrag des Fehlersignals und desto höher ist ein Gegendrehmoment an den Motoren, das der Verlagerung der Master-Steuerung in der Richtung dieser Kraft Widerstand leistet. Ebenso gilt, je höher die am Master auferlegte Geschwindigkeit jenseits der Geschwindigkeitsbegrenzung ist, desto höher ist das Fehlersignal und desto höher ist das Gegendrehmoment an den Motoren, die dem Master zugeordnet sind.
Die Auferlegung der Begrenzungen in der simulierten Domäne 812 werden nun mit Bezug auf 15 der Zeichnungen genauer beschrieben. In 15 werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Teile oder Aspekte zu bezeichnen, wenn nicht anders angegeben.
Die gewünschte Kartesische Geschwindigkeit des Slave wird vom Skalierungs- und Versatzwandler 822 durch einen Summierungsübergang bei 832 geleitet. Es ist zu erkennen, dass die gewünschte Kartesische Geschwindigkeit des Slave durch den Summierungsübergang 832 nacheinander mit der Rate des Steuersystem-Verarbeitungszyklus, nämlich 1300 Hz, geleitet wird. Am Übergang 832 wird die gewünschte Kartesische Geschwindigkeit des Slave mit einem Fehlersignal beaufschlagt, wenn die gewünschte Geschwindigkeit eines Signals der vorherigen gewünschten Kartesischen Geschwindigkeit dem simulierten Slave befohlen hätte, eine oder mehrere Begrenzungen zu überschreiten. Dies wird nachstehend genauer beschrieben. Wenn die vorherige gewünschte Slave-Geschwindigkeit keine Überschreitung verursacht hätte, wäre kein Fehlersignal erzeugt worden und die gewünschte Stave-Geschwindigkeit würde dann unverändert durch den Summierungsübergang 832 laufen. Das vom Summierungsübergang 832 geleitete Geschwindigkeitssignal wird als Kartesische Bezugsgeschwindigkeit bezeichnet, wie durch den Pfeil 833 angegeben.
Vom Summierungsübergang 832 wird die Kartesische Bezugsgeschwindigkeit einem Simulationsblock 834 zugeführt. Die Bezugsgeschwindigkeit wird dann mit den Begrenzungen im Simulationsblock 834 verglichen, wie nachstehend mit Bezug auf 16 bis 21 der Zeichnungen genauer beschrieben wird.
In dem Fall, in dem die Slave-Bezugsgeschwindigkeit keine Begrenzung überschreitet, läuft die Slave-Bezugsgeschwindigkeit unverändert durch den Simulationsblock 834. Eine entsprechende simulierte Slave-Gelenkgeschwindigkeit wird jedoch im Simulationsblock 834 berechnet.
Die simulierte Gelenkgeschwindigkeit wird im Simulationsblock 834 integriert, um eine entsprechende simulierte Gelenkposition zu liefern. Die simulierte Gelenkgeschwindigkeit und -position werden aus dem Simulationsblock 834 ausgegeben, wie durch Pfeile 835 angegeben.
Die simulierte Gelenkgeschwindigkeit und -position werden dann durch ein Filter bei 838 geleitet. Das Filter 838 ist dazu beschaffen, Beben von den Geschwindigkeits- und Positionssignalen zu trennen. Es ist zu erkennen, dass sich solche Beben von einem versehentlichen Schütteln der Master-Steuerung ergeben könnten, das an der Master-Steuerung durch den Chirurgen ausgelöst werden kann.
Da es erwünscht wäre, solche Bebbewegungen von den aktuellen Slave-Geschwindigkeits- und -positionssignalen zu entfernen, um die Slave-Präzisionsbewegung in Reaktion auf die Master-Eingabe zu verbessern, werden diese Beben aus den Geschwindigkeits- und Positionssignalen mittels des Filters 838 gefiltert. Nach dem Filterschritt bei 838 werden die resultierenden Slave-Gelenkgeschwindigkeits- und -positionssignale zum Slave geleitet, wie durch Pfeile 815 angegeben und wie nachstehend genauer beschrieben. Es ist zu erkennen, dass das simulierte Slave-Gelenkpositions- und/oder -geschwindigkeitssignal in einer beliebigen erforderlichen Weise bei 838 modifiziert werden kann. Typischerweise können Modifikationen, die keine Rückkopplung zum Master erfordern, bei 838 implementiert werden. Folglich ist der Filterschritt 838 nicht notwendigerweise auf das Filtern nur von Beben aus dem Signal begrenzt. Außerdem oder statt dessen kann die Frequenz der Positions- und/oder Geschwindigkeitssignale modifiziert werden, um beispielsweise eine Resonanz im Slave zu verhindern.
Immer noch mit Bezug auf 15 der Zeichnungen werden die simulierte Gelenkgeschwindigkeit und -position nach dem Leiten durch den Simulationsblock 834 durch eine FKIN-Steuereinheit bei 653 geleitet, um entsprechende Geschwindigkeiten und Positionen im Kartesischen Raum zu berechnen, wie mit Bezug auf 12 der Zeichnungen beschrieben. Die Signale werden dann zur Kartesischen Steuereinheit 820 geleitet, wie bereits mit Bezug auf 14 beschrieben.
Immer noch mit Bezug auf 15 wird das Positionssignal von der FKIN-Steuereinheit 653 in einen Block für den Kartesischen skalierten Fehler bei 844 geleitet. Die gewünschte Kartesische Slave-Position, die vom Skalierungs- und Versatzblock 822 abgeleitet wird, wird auch in den Block 844 für den Kartesischen skalierten Fehler geleitet. Die zwei Signale werden bei 844 verglichen, um ein Fehlersignal zu berechnen, sollten sie nicht entsprechen. Sollten die zwei Signale gleich sein, nämlich wenn das gewünschte Slave-Geschwindigkeitssignal nicht in der simulierten Domäne 834 eingeschränkt wurde, wird kein Fehlersignal erzeugt.
In dem Fall, in dem die gewünschte Slave-Geschwindigkeit im Simulationsblock 834 eingeschränkt wurde, würde die simulierte Gelenkgeschwindigkeitsausgabe nicht der in den Simulationsblock 834 eingegebenen Kartesischen Slave-Bezugsgeschwindigkeit entsprechen. Nach Integration im Simulationsblock 834 und Umwandlung in den Kartesischen Raum durch die FKIN-Steuereinheit 653 würde folglich die resultierende entsprechende Kartesische Position nicht der ursprüngli chen gewünschten Kartesischen Slave-Position entsprechen, die in den Block 844 für den Kartesischen skalierten Fehler eingegeben wird. Folglich wird vom Block 844 für den Kartesischen skalierten Fehler ein Fehlersignal mit einem Betrag erzeugt, der typischerweise durch Subtraktion der resultierenden Kartesischen Position von der ursprünglichen gewünschten Position und Multiplikation mit einer geeigneten Konstante bestimmt wird. Dieses Fehlersignal wird dem nächsten gewünschten Slave-Geschwindigkeitssignal am Summierungsübergang 832 auferlegt.
Es ist zu erkennen, dass nur das Geschwindigkeitssignal in den Simulationsblock 834 eingegeben wird. Folglich werden Begrenzungen in einer dynamischen Weise im Simulationsblock auferlegt. Die simulierte Slave-Position verfolgt nicht notwendigerweise gleichzeitig die Master-Position. Dies ist insbesondere der Fall, wenn im Simulationsblock 834 eine Begrenzung auferlegt wurde. Sollte beispielsweise eine Geschwindigkeitsgrenze auferlegt worden sein, wenn der Master zu schnell bewegt wurde, ergibt sich ein Grad an Verzögerung der simulierten Slave-Position, um mit der Master-Position Schritt zu halten. Folglich ergibt sich eine Diskrepanz zwischen der Master- und der Slave-Position. Mittels des bei 844 erzeugten Positionsfehlers wird eine geeignete Geschwindigkeitssignaländerung am Übergang 852 bewirkt, um eine Positions"Schritthalte"-Funktion am Geschwindigkeitssignal zu bewirken. Sollte der Master zur Ruhe gebracht werden, wenn ein Positionsfehler erzeugt wird, wäre das in 832 eingegebene Geschwindigkeitssignal folglich Null, aber eine Kartesische Bezugsgeschwindigkeit würde immer noch in den Simulationsblock 834 eingegeben werden, um das Schritthalten der simulierten Slave-Position mit jener des Masters zu bewirken.
Mit Bezug noch einmal auf 14 der Zeichnungen wird das resultierende Slave-Gelenkgeschwindigkeits- und -positionssignal von der simulierten Domäne 812 zu einer Gelenksteuereinheit 848 geleitet. An der Gelenksteuereinheit 848 wird das resultierende Gelenkgeschwindigkeits- und -positionssignal mit der momentanen Gelenkposition und -geschwindigkeit verglichen. Die momentane Gelenkposition und -geschwindigkeit wird durch die Sensoren am Slave abgeleitet, wie bei 849 angegeben, nachdem sie an einem Eingabeprozessor 851 verarbeitet wurden, um eine momentane Slave-Position und -Geschwindigkeit im Gelenkraum zu liefern.
Die Gelenksteuereinheit 848 berechnet die an den Slave-Motoren erforderlichen Drehmomente, um zu veranlassen, dass der Slave dem resultierenden Gelenkpo sitions- und -geschwindigkeitssignal folgt, wobei seine momentane Gelenkposition und -geschwindigkeit berücksichtigt werden. Die so bestimmten Gelenkdrehmomente werden dann zu einem Rückkopplungsprozessor bei 852 und zu einem Ausgabeprozessor bei 854 geleitet.
Die Gelenkdrehmomente werden typischerweise beispielsweise mittels der folgenden Formel berechnet: T = K(Δθ) + B(Δθ .)wobei K eine Federkonstante ist, B eine Dämpfungskonstante ist, Δθ . die Differenz zwischen den Gelenkgeschwindigkeitseingaben in die Gelenksteuereinheit 851 ist und Δθ die Differenz zwischen den Gelenkpositionseingaben in die Gelenksteuereinheit 851 ist.
Der Ausgabeprozessor 854 bestimmt die elektrischen Ströme, die zu den Motoren geliefert werden sollen, die dem Slave zugeordnet sind, um die befohlenen Drehmomente zu ergeben, und veranlasst, dass die Ströme zu den Motoren geliefert werden, wie durch den Pfeil 855 angegeben.
Vom Rückkopplungsprozessor 852 wird eine Kraftrückkopplung zum Master geliefert. Wie vorher erwähnt, wird die Kraftrückkopplung am Master 700 vorgesehen, sobald eine Begrenzung in der simulierten Domäne 812 induziert wird. Durch den Rückkopplungsprozessor 852 wird die Kraftrückkopplung direkt vom Slave 798, mit anderen Worten nicht über eine virtuelle oder simulierte Domäne, sondern durch direkte Slave-Bewegung, geliefert. Dies wird nachstehend genauer beschrieben.
Wie vorher erwähnt, ist der bei 798 angegebene Slave mit einer Vielzahl von Sensoren versehen. Diese Sensoren sind typischerweise funktional mit Schwenkgelenken am Roboterarm 10 und am Instrument 14 verbunden.
Diese Sensoren sind mit dem Prozessor bei 851 funktional verbunden. Es ist zu erkennen, dass diese Sensoren die momentane Slave-Position bestimmen. Sollte der Slave 798 einer externen Kraft ausgesetzt werden, die groß genug ist, um eine Reaktionsbewegung am Slave 798 auszulösen, erfassen die Sensoren natürlich eine solche Bewegung. Eine solche externe Kraft könnte von einer Vielzahl von Quellen stammen, wie z.B. wenn der Roboterarm 10 versehentlich gestoßen wird oder in den anderen Roboterarm 10 oder den Endoskoparm 302 stößt oder dergleichen. Wie erwähnt, berechnet die Gelenksteuereinheit 848 Drehmomente, die erforderlich sind, um zu bewirken, dass der Slave 798 dem Master 700 folgt. Eine externe Kraft am Slave 798, die bewirkt, dass sich seine momentane Position ändert, bewirkt auch, dass sich die erforderliche Slave-Bewegung, um dem Master zu folgen, ändert. Folglich wird von der Gelenksteuereinheit 848 ein zusammengesetztes Gelenkdrehmoment erzeugt, wobei das Drehmoment das Drehmoment, das erforderlich ist, um den Slave zu bewegen, damit der dem Master folgt, und das Drehmoment, das erforderlich ist, um die am Slave durch die externe Kraft induzierte Reaktionsbewegung zu kompensieren, umfasst. Das von der Gelenksteuereinheit 848 erzeugte Drehmoment wird zum Rückkopplungsprozessor bei 852 geleitet, wie bereits erwähnt. Der Rückkopplungsprozessor 852 analysiert das Drehmomentsignal von der Gelenksteuereinheit 848 und betont denjenigen Teil des Drehmomentsignals, der sich aus der äußeren Kraft am Slave 798 ergibt. Der betonte Teil des Drehmomentsignals kann in Abhängigkeit von den Anforderungen gewählt werden. In diesem Fall wird nur der Teil des Drehmomentsignals, der die Gelenke des Roboterarms 12, 12, 302 betrifft, betont. Das Drehmomentsignal wird, nachdem es in dieser Weise verarbeitet wurde, zu einem kinematischen Abbildungsblock 860 geleitet, von dem eine entsprechende Kartesische Kraft bestimmt wird. Am kinematischen Block 860 werden die Informationen, die die Slave-Drehpunktposition relativ zum Kamerarahmen bestimmen, von 647 eingegeben, wie angegeben. In dieser Hinsicht soll auf 12 der Zeichnungen Bezug genommen werden. Folglich wird die Kartesische Kraft relativ zum Kamerarahmen leicht bestimmt. Diese Kartesische Kraft wird dann geeignet durch einen Verstärkungsschritt bei 862 geleitet, um den Betrag der Kartesischen Kraft zu verändern. Die resultierende Kraft im Kartesischen Raum wird dann zum Summierungsübergang bei 827 geleitet und wird dann zur Master-Steuerung 700 übertragen, wie vorher beschrieben.
Das Bezugszeichen 866 gibt im Allgemeinen einen weiteren direkten Kraftrückkopplungspfad des Steuersystems 810 an, wodurch eine direkte Kraftrückkopplung zur Master-Steuerung 700 geliefert wird. Der Pfad 866 umfasst einen oder mehrere Sensoren, die nicht notwendigerweise funktional mit Slave-Gelenken verbunden sind. Diese Sensoren können typischerweise in Form von Kraft- oder Drucksensoren vorliegen, die geeignet am Operationsinstrument 14, typischerweise am End-Effektor 58, angeordnet sind. Sollte der End-Effektor 58 einen Fremdkörper, wie z.B. Körpergewebe an der Operationsstelle, berühren, erzeugt er somit ein entsprechendes Signal, das zur Kontaktkraft proportional ist. Dieses Signal wird von einem Prozessor bei 868 verarbeitet, um ein entsprechendes Drehmoment zu ergeben. Dieses Drehmoment wird zu einem kinematischen Abbildungsblock 864 zusammen mit Informationen von 647 geleitet, um eine entsprechende Kartesische Kraft relativ zum Kamerarahmen zu liefern. Von 864 wird die resultierende Kraft durch einen Verstärkungsblock bei 870 geleitet und dann zum Summierungsübergang 827 weitergeleitet. Die Rückkopplung wird an der Master-Steuerung 700 mittels des zu den Motoren gelieferten Drehmoments, die der Master-Steuerung 700 funktional zugeordnet sind, wie vorher beschrieben, auferlegt. Es ist zu erkennen, dass dies mittels beliebiger geeigneter Sensoren erreicht werden kann, wie z.B. Stromsensoren, Drucksensoren, Beschleunigungsmesser, Näheerfassungssensoren oder dergleichen.
Wie erwähnt, ermöglicht das Steuersystem 810, dass Begrenzungen im Simulationsblock 834 festgelegt werden. Diese Begrenzungen können so gewählt werden, dass sie mechanischen Systembegrenzungen oder -einschränkungen entsprechen, und/oder können so vorgegeben werden, dass sie umgebungsempfindlichen Bewegungsbegrenzungen an der Operationsstelle entsprechen, wie nachstehend genauer beschrieben wird. Folglich können die in der simulierten Domäne 812 auferlegten Begrenzungen in einem Fall als virtuelle Begrenzungen betrachtet werden, die tatsächlichen physikalischen Systembegrenzungen entsprechen. Die Begrenzungen an der simulierten Domäne 812 sind nicht von einer tatsächlichen Slave-Bewegung, sondern von einer simulierten oder virtuellen Slave-Bewegung abgeleitet. Folglich wird verhindert, dass der Slave tatsächlich eine Begrenzung überschreitet, indem seine Bewegung und Geschwindigkeit simuliert werden und die simulierte Bewegung und Geschwindigkeit eingeschränkt werden, bevor befohlen wird, dass der tatsächliche Slave reagiert. Eine typische in der simulierten Domäne 812 festgelegte Begrenzung betrifft Singularitäten des Systems.
Was mit dem Begriff Singularität gemeint ist, wird nun anhand eines Beispiels einer Singularität in der mechanischen Struktur der minimal invasiven Operationsvorrichtung beschrieben. Mit Bezug auf 2A der Zeichnungen und wie bereits erwähnt, ist das Instrument 14, wenn es am Roboterarm 10 montiert ist, in der Richtung des Pfeils P geradlinig verlagerbar. Wenn das Instrument 14 derart angeordnet ist, dass der End-Effektor 58 relativ weit vom Drehpunkt 49 entfernt ist und die Master-Steuerung manipuliert wird, um Reaktionsbewegungen zu befehlen, kann die Reaktionsbewegung des Slave normalerweise leicht durchgeführt werden. In einem speziellen festgelegten Abstand vom Drehpunkt 49 weist der End-Effektor einen Bereich von seitlicher Bewegung auf, der innerhalb der Grenzen eingeschränkt ist, die durch Einschränkungen der mechanischen Struktur des Arms 12 vorgegeben werden. Es ist zu erkennen, dass, je näher der End-Effektor 58 in Richtung des Drehpunkts 49 verlagert ist, desto kleiner der mögliche Bereich von seitlicher Bewegung wird. Dies kann durch Abbilden eines Kegels, dessen Scheitelpunkt am Drehpunkt 49 liegt und der sich vom Drehpunkt 49 in einer Abwärtsrichtung in 2A erstreckt, visualisiert werden. Der Bereich von seitlicher Bewegung des End-Effektors 58 wird in den visualisierten Kegel begrenzt. Es ist folglich zu erkennen, dass in Richtung der Basis des visualisierten Kegels, z.B. eine seitliche Bewegung des End-Effektors von 1 Inch, normalerweise leicht durch die mechanische Struktur des Arms 12 erreicht werden kann. In Richtung des Scheitels des Kegels, mit anderen Worten in Richtung des Drehpunkts 49, wird jedoch ein Punkt erreicht, an dem eine seitliche Bewegung des End-Effektors 58 von 1 Inch aufgrund der mechanischen Einschränkungen des Arms 12 einfach nicht erreichbar ist. Ferner wird die Bewegung durch den Roboterarm 12 zum Induzieren einer seitlichen Bewegung des End-Effektors 58 radikaler, je näher der End-Effektor 58 zum Drehpunkt 49 hin verlagert wird.
Wenn ein Chirurg mittels der minimal invasiven Operationsvorrichtung einen chirurgischen Eingriff durchführt, kennt er normalerweise die Bewegungen des Roboterarms 12 nicht, da er die Operationsstelle durch die Betrachtungsvorrichtung 202 betrachtet. Wenn nicht im Gegenteil eine Vorkehrung getroffen wird, könnte es folglich passieren, dass im Verlauf des chirurgischen Eingriffs der End-Effektor 58 zu nahe zum Drehpunkt 49 verlagert wird, so dass die Master-Eingabe verursacht, dass sich der Roboterarm 12 zu schnell über entsprechende lange Abstände bei der Reaktion auf die befohlenen End-Effektor-Bewegungen bewegt. Das Steuersystem 810 ist dazu beschaffen, ein Verfahren zum Verhindern, dass der Roboterarm in Reaktion auf die Master-Eingabe aufgrund der vorstehend beschriebenen Singularität eine zu schnelle oder zu große Bewegung durchführt, zu schaffen.
Eine weitere Singularität der mechanischen Struktur des Slave, insbesondere des Operationsinstruments 14, wird nun mit Bezug auf 5 der Zeichnungen beschrieben.
Wie erwähnt, ist der End-Effektor 58 im Winkel um die Achse 14.2 verlagerbar, wie durch die Pfeile 59 angegeben. Sollte die Symmetrieachse 60A des End-Effektors entlang der Achse 14.2 angeordnet sein, wird die Winkelverlagerung des End-Effektors um die Achse 60A leicht ausgelöst. Sollte jedoch die Achse 60A senkrecht zur Achse 14.2 angeordnet sein, ist die Winkelverlagerung des End-Effektors 58 um die Achse 60A nicht möglich. Folglich wird eine Singularität angenähert, wenn sich die Achse 60A einer zur Achse 14.2 senkrechten Position nähert.
Eine weitere Singularität des Roboterarms 10 ist mit Bezug auf 4 der Zeichnungen zu verstehen. Wie bereits erwähnt, ist der Roboterarm im Winkel um die Achse 28 verlagerbar, wie durch die Pfeile 26 angegeben. Wenn die Achse 14.2 zur Achse 28 senkrecht ist, wird die Bewegung des Arms 10 in der Richtung der Pfeile 26 leicht am End-Effektor 58 ausgelöst. Wie in 4 leicht zu beobachten ist, wird eine Singularität angenähert, je näher die Achse 14.2 in Richtung der zur Achse 28 parallelen Position bewegt wird.
Eine weitere typische Begrenzung, die in der simulierten Domäne 812 auferlegt wird, betrifft Positionseinschränkungen der verschiedenen Gelenke.
Eine weitere typische Begrenzung, die in der simulierten Domäne auferlegt wird, ist eine Geschwindigkeitsbegrenzung entsprechend der praktikabel mechanisch erreichbaren Slave-Geschwindigkeit. Der Slave besitzt natürlich eine größere Masse und größere Trägheitsmomente als der Master. Sollte der Chirurg den Master zu schnell bewegen oder sollte der Master versehentlich gestoßen werden, so dass eine schnelle Bewegung an diesem ausgelöst wird, würde dem Slave somit befohlen werden, sich in Übereinstimmung mit dem Master zu bewegen, aber mit einer Rate, die aufgrund der mechanischen Einschränkungen durch den Arm 10 nicht praktikabel erreichbar ist.
Wie erwähnt, können wahlweise Begrenzungen bezüglich der chirurgischen Umgebungseinschränkungen auch bewirkt werden, wie nachstehend genauer beschrieben.
Mit Bezug nun auf 16 der Zeichnungen umfasst eine Ausführungsform des Simulationsblocks 834 eine Steuereinheit einer modifizierten Jakobischen Inver sen, die bei 870 mit J^–1* angegeben ist. Die Steuereinheit der modifizierten Jakobischen Inversen ist dazu beschaffen, die schädlichen Effekte zu verhindern, die sich ergeben, wenn eine Singularität angenähert wird. Dies wird durch Modifizieren einer Jakobischen inversen Matrix der Steuereinheit J^–1* erreicht. Die Modifikation an der Matrix wird nun beispielhaft mit Bezug auf 2A und 17 der Zeichnungen beschrieben.
In den 2A und 17 ist die Länge des Armabschnitts des Schafts 14.1 des Instruments 14, der sich über den Drehpunkt 49 hinaus erstreckt, mit L angegeben.
Die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit ẋ im Kartesischen Raum relativ zur Winkelgeschwindigkeit θ . im Gelenkraum wird typischerweise durch die Beziehung ẋ = J·θ .ausgedrückt.
Für die minimal invasive Operationsvorrichtung liegt die Jakobische Matrix typischerweise in Form einer Matrix mit 6 × 6 Termen zum Umwandeln der Gelenkraumkoordinaten in entsprechende Kartesische Koordinaten vor. Einige der Terme in der Matrix umfassen natürlich einen Multiplikationsfaktor gleich L. Wenn es erforderlich ist, Positionen im Gelenkraum entsprechend den Kartesischen Koordinaten zu bestimmen, wird folglich die folgende Beziehung verwendet: θ . = J–1·ẋ
Wenn die inverse Jakobische Matrix in dieser Weise verwendet wird, werden die Terme mit dem Multiplikationsfaktor von L zu Termen mit einem Multiplikationsfaktor von 1/L.
Es ist zu erkennen, dass, wenn L abnimmt, sich der Term 1/L Unendlich nähert. Diese Eigenschaft, die einer Singularität zugeordnet ist, ist in 17 schematisch dargestellt. Die Länge L ist entlang der sich horizontal erstreckenden Achse angegeben und der entsprechende Faktor 1/L ist entlang der sich vertikal erstreckenden Achse angegeben. Die parabolischen Linien geben die Beziehung zwischen L und 1/L an. Es ist klar, dass, wenn die erforderliche Gelenkgeschwin digkeit mittels der Kartesischen Geschwindigkeit X bestimmt ist und ein Term den Multiplikationsfaktor 1/L umfasst, sich die Gelenkgeschwindigkeit Unendlich nähert, wenn der Wert von L abnimmt, folglich wenn der End-Effektor näher an den Drehpunkt 49 bewegt wird.
Um diese schädlichen Wirkungen zu kompensieren, wenn eine Singularität angenähert wird, wird der Term 1/L in der Jakobischen inversen Matrix gegen eine Funktion von L ausgetauscht, die eine resultierende Beziehung zwischen L und 1/L ergibt, wie in gestrichelten Linien in 17 angegeben. Zwei gestrichelte Linien sind angegeben, um verschiedene mögliche Funktionen von L zu zeigen. In ähnlicher Weise wird die Jakobische inverse Matrix modifiziert, um alle bereits beschriebenen Singularitäten des Systems zu versorgen.
Mit erneutem Bezug auf 16 der Zeichnungen wird der Simulationsblock 834 nun genauer beschrieben.
Die Steuereinheit der modifizierten Jakobischen Inversen, die Singularitäten berücksichtigt, wie vorstehend beschrieben, ist mit dem Bezugszeichen 870 gekennzeichnet. Die Bezugsgeschwindigkeit des Kartesischen Raums wird eingegeben, wie durch den Pfeil 833 angegeben. Nach der Umwandlung in eine resultierende Gelenkgeschwindigkeit durch die Steuereinheit 870 wird die resultierende Gelenkgeschwindigkeit bei 874 ausgegeben. Die resultierende Gelenkgeschwindigkeit 874 wird dann in einen Gelenkgeschwindigkeits-Begrenzungsschritt bei 876 eingegeben. In diesem Schritt wird die resultierende Gelenkgeschwindigkeit begrenzt, so dass sie innerhalb eines Bereichs zwischen einer vorbestimmten maximalen Geschwindigkeit V_max und einer vorbestimmten minimalen Geschwindigkeit V_min bleibt. Diese maximalen und minimalen Werte werden typischerweise ausgewählt, um die Gelenkgeschwindigkeit innerhalb Begrenzungen entsprechend Einschränkungen der mechanischen Struktur des Systems einzuschränken. Sollte die Gelenkgeschwindigkeitseingabe 874 einen Betrag aufweisen, der größer ist als der maximale und der minimale Wert, wird bei 876 folglich der Gelenkgeschwindigkeitsbetrag 874 in den festgelegten Bereich verringert. Folglich gilt:
wenn θ . > max θ . = max
wenn θ . < (min) θ . = (min) wobei θ . die Gelenkgeschwindigkeit darstellt und max einen positiven Betrag bedeutet und min einen negativen Betrag bedeutet.
Nachdem die Gelenkgeschwindigkeit in dieser Weise begrenzt ist, wird die Gelenkgeschwindigkeit bei 878 integriert, um eine entsprechende Position im Gelenkraum zu ergeben. In ähnlicher Weise zum Gelenkgeschwindigkeits-Begrenzungsschritt bei 876 wird die Position bei 880 begrenzt, so dass sie innerhalb eines festgelegten Positionsbereichs bleibt.
Von 880 wird das resultierende Gelenkpositionssignal zum Filter 838 geleitet, wie durch einen der Pfeile 835 angegeben und wie bereits hierin mit Bezug auf 14 beschrieben. Das resultierende Geschwindigkeitssignal, wie aus 876 ausgegeben, wird zum Filter 838 geleitet, wie durch den anderen Pfeil 835 angegeben. Das resultierende Geschwindigkeitssignal wird mit dem Positionssteuerschritt 880 verknüpft, wie bei 881 angegeben, so dass, falls die Position begrenzt wird, das Geschwindigkeitssignal zu Null gemacht wird.
Wie erwähnt, werden Geschwindigkeits-, Positions- und Singularitätsbegrenzungen oder -einschränkungen auf die Kartesische Bezugsgeschwindigkeit im Simulationsblock 834, der in 14 angegeben ist, angewendet, um eine simulierte Slave-Gelenkposition und -geschwindigkeit zu ergeben. Sollte die in den Simulationsblock 834 eingegebene Kartesische Bezugsgeschwindigkeit nicht zu einer Überschreitung von irgendeiner der für den Slave festgelegten Begrenzungen führen, wird die in den Simulationsblock 834 eingegebene Kartesische Bezugsgeschwindigkeit dann natürlich einfach in entsprechende Slave-Gelenkpositions- und -geschwindigkeitssignale ohne irgendeine Auferlegung von Begrenzungen überführt. Die entsprechende Slave-Gelenkposition und -geschwindigkeit werden dann nach dem Filterschritt bei 838 zum Slave weitergeleitet.
Ein alternativer Simulationsblock 834B und ein weiteres Verfahren zum Auferlegen von Begrenzungen werden nun mit Bezug auf 18 der Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Teile zu bezeichnen, wenn nicht anders angegeben.
Mit Bezug nun auf 18 und im Simulationsblock 834B wird die Kartesische Bezugsgeschwindigkeit anfänglich in einen Kartesischen Positions- und Geschwindigkeitsbegrenzungsblock bei 902 eingegeben. Bei 902 können beliebige gewünschte Begrenzungen für die Position und Geschwindigkeit im Kartesischen Raum festgelegt werden. Dies kann in ähnlicher Weise zu der Weise erreicht werden, in der die Gelenkgeschwindigkeits- und -positionsbegrenzungen in 16 auferlegt wurden. Solche Begrenzungen können so gewählt werden, dass sie an den speziellen durchzuführenden chirurgischen Eingriff angepasst sind. Sollte der chirurgische Eingriff beispielsweise an einer empfindlichen Stelle wie z.B. nahe dem Gehirn, dem Herzen oder dergleichen durchgeführt werden sollen, können Begrenzungen folglich so festgelegt werden, dass die End-Effektor-Bewegung in einen Raum eingeschränkt wird, so dass er nicht den Empfindlichkeitsbereich berühren kann. Bei 902 können folglich die Begrenzungen so zugeschnitten werden, dass sie spezielle Umgebungsbegrenzungen erfüllen, die durch den durchzuführenden speziellen chirurgischen Eingriff definiert sind, um eine versehentliche Schädigung an einem empfindlichen Organ oder dergleichen zu vermeiden. Bei 902 können folglich die Slave-Position und -Geschwindigkeit so eingeschränkt werden, dass sie innerhalb vorgegebener Begrenzungen bleiben, die durch den durchzuführenden chirurgischen Eingriff vorgegeben werden. Es ist zu erkennen, dass solche von der Operationsumgebung abhängenden Begrenzungen im Simulationsblock 834 in 16 und auch im bevorzugten Simulationsblock 834A, der mit Bezug auf 20 erörtert werden soll, auferlegt werden können.
Nach dem Begrenzungsschritt bei 902 wird die resultierende Kartesische Geschwindigkeit in eine Steuereinheit der modifizierten Jakobischen Inversen bei 904 eingegeben. Die modifizierte Steuereinheit 904 erlegt der Kartesischen Geschwindigkeit Begrenzungen auf, die während der Umwandlung der Kartesischen Geschwindigkeitseingabe in eine entsprechende Gelenkraumgeschwindigkeit eingegeben wird, um Singularitäten zu berücksichtigen, wie bereits beschrieben.
Von der Steuereinheit 904 der modifizierten Jakobischen Inversen wird die resultierende Gelenkgeschwindigkeit in einen Gelenkpositions- und -geschwindigkeitsblock bei 906 eingegeben. Im Gelenkpositions- und -geschwindigkeitsblock 906 wird die eingegebene Gelenkgeschwindigkeit überwacht, um sicherzustellen, dass entsprechende Geschwindigkeits- und Positionsbefehle für jedes spezielle Gelenk festgelegte Begrenzungen entsprechend aktueller Winkelpositions- und -geschwindigkeitsbegrenzungen dieses Gelenks nicht überschreiten würden. Nachdem die Gelenkgeschwindigkeit bei 906 überwacht wurde und irgendwelche Begrenzungen auferlegt wurden, wird die resultierende simulierte Slave-Gelenkgeschwindigkeit ausgegeben, wie durch den Pfeil 835 angegeben. Die simulierte Slave-Gelenkgeschwindigkeit wird auch durch einen Integrationsschritt bei 910 geführt, um die entsprechende simulierte Slave-Gelenkposition zu liefern.
Die simulierte Gelenkposition für jedes spezielle Gelenk wird zum Gelenkpositions- und -geschwindigkeitsblock 906 und zum Block 904 der modifizierten Jakobischen Inversen geleitet, wie in gestrichelten Linien angegeben. Das Positionssignal 835 wird zum Block 904 der modifizierten Jakobischen Inversen geleitet, um eine Transformation vom Kartesischen in den Gelenkraum zu ermöglichen. Das Positionssignal 835 wird zum Positions- und Geschwindigkeitsblock 906 geleitet, damit Gelenkpositions- und -geschwindigkeitsgrenzen bei 906 auferlegt werden können. Dies wird nun mit Bezug auf 19 beschrieben, in der gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um ähnliche Teile zu bezeichnen, wenn nicht anders angegeben. Es ist zu erkennen, dass 19 die Auferlegung von Positions- und Geschwindigkeitsgrenzen an einem einzelnen Gelenk veranschaulicht. Dasselbe Verfahren zum Auferlegen von solchen Positions- und Geschwindigkeitsgrenzen wird für jedes Gelenk bei 906 verwendet.
In 19 ist die Gelenkgeschwindigkeit, die von der Steuereinheit der modifizierten Jakobischen Inversen bei 904 eingegeben wird, durch den Pfeil 912 angegeben. Die resultierende Geschwindigkeit, nachdem sie durch den Gelenkpositions- und -geschwindigkeitsblock gelaufen ist, ist durch den Pfeil 914 angegeben und die eingegebene Gelenkposition ist durch den Pfeil 835 angegeben und ist in gestrichelten Linien gezeigt. Das Gelenk, für das Positions- und Geschwindigkeitsgrenzen durch das in 19 gezeigte Blockdiagramm auferlegt werden sollen, weist normalerweise physikalische Begrenzungen auf. Folglich weist das Gelenk eine maximale Position auf, in der die Armelemente, die schwenkbar dadurch verbunden sind, in einer maximalen Winkelposition relativ zueinander liegen. Ebenso weist das Gelenk eine minimale Position auf, in der die Armelemente, die dadurch miteinander verbunden sind, in einer minimalen Winkelposition relativ zueinander liegen. Folglich weist das Gelenk einen Winkelverlagerungsbereich auf, der sich zwischen seiner minimalen und seiner maximalen Position erstreckt. Die Winkelgrenzen des Gelenks sind durch die Blöcke 918 bzw. 920 angegeben, wobei der Block 918 die minimale Position angibt und der Block 920 die maximale Position angibt. Da wir eine simulierte Domäne behandeln, können die Grenzen natürlich so gewählt werden, dass sie passen. Folglich müssen die minimalen und maximalen Winkelpositionen 918, 920 nicht notwendigerweise den tatsächlichen physikalischen Positionsgrenzen des Gelenks entsprechen, sondern können in beliebigen geeigneten Winkelpositionen innerhalb der Winkelpositions bereichsfähigkeiten des Gelenks gewählt werden.
Die bei 835 eingegebene Position variiert normalerweise kontinuierlich, wenn der Chirurg den Master während des Verlaufs eines chirurgischen Eingriffs manipuliert. Die Positionseingabe 835 wird den Summierungsübergängen 922, 924 zugeführt. Am Übergang 922 wird die Winkelposition, wie bei 835 eingegeben, mit der minimalen oder unteren Positionsgrenze verglichen, um einen Winkelwert entsprechend der Winkelabweichung der Positionseingabe 835 relativ zur Grenze 918 zu liefern. Bei 922 wird folglich ein Winkelwert gleich der Differenz zwischen der Winkelgrenze und der Winkelpositionseingabe 835 bestimmt. Die so bestimmte Winkelabweichung von der unteren Grenze 918 wird dann einem Geschwindigkeitsbestimmungsblock bei 926 zugeführt. Die Verarbeitungszyklusrate des Steuersystems ist bekannt. In diesem Fall ist sie typischerweise 1300 Hz. Bei 926 wird die Geschwindigkeit, mit der das Gelenk bewirken muss, dass seine Position mit der unteren Gelenkgrenze 918 beim nächsten Verarbeitungszyklus übereinstimmt, bestimmt. Dieser Geschwindigkeitswert wird dann zu einem Entscheidungsblock bei 928 geleitet. Wenn die Winkelposition, wie bei 835 eingegeben, weit von der unteren Grenze 918 entfernt ist, ist der bei 926 abgeleitete resultierende Geschwindigkeitswert natürlich sehr groß und typischerweise physikalisch unerreichbar. Wenn sich die Winkelabweichung Null nähert, nämlich wenn sich die Winkelposition 935 der unteren Grenze 918 nähert, wird jedoch die aus 926 ausgegebene Geschwindigkeit geringer als die erreichbare Gelenkgeschwindigkeit und wird Null, wenn die Winkelposition 835 an der unteren Grenze 918 liegt.
Das Bezugszeichen 930 stellt eine festgelegte Gelenkgeschwindigkeitsgrenze dar. Diese Grenze wird typischerweise gemäß der annehmbaren Gelenkgeschwindigkeitsgrenze dieses Gelenks gewählt. Diese festgelegte untere Geschwindigkeitsgrenze wird auch in den Entscheidungsblock 928 eingespeist. Bei 928 werden die zwei Gelenkgeschwindigkeiten verglichen und die größte der zwei ausgewählt. Es ist zu erkennen, dass der größte Wert ausgewählt wird, da wir eine Geschwindigkeitsgrenze in einer negativen Richtung betrachten. Folglich ist der größte Wert derselbe wie der kleinste Absolutwert. Der so bestimmte ausgewählte Geschwindigkeitswert definiert die untere Geschwindigkeitsgrenze, wie bei 932 angegeben.
Es könnte passieren, dass das Gelenk jenseits der unteren Positionsgrenze 918 angeordnet wird. Dies kann beispielsweise vorkommen, wenn die minimal invasive Operationsvorrichtung anfänglich eingerichtet wird oder wenn die Positionsgrenzen selektiv geändert werden. In einem solchen Fall ist es erwünscht zu bewirken, dass die Gelenkposition in den durch die oberen und unteren Grenzen bei 918 bzw. 920 festgelegten Bereich zurückkehrt. Für die untere Winkelpositionsgrenze wird dies durch den Block 934 erreicht. Was durch den Block 934 erreicht wird, ist im Wesentlichen eine konstante Unterdrückung der Positionsbewegung über die untere Grenze hinaus. Wenn der Chirurg den Master manipuliert, werden folglich Bewegungen, die verursachen, dass sich die Winkelposition des Gelenks in Richtung der Grenze bewegt, zugelassen, aber sobald eine solche Bewegung stattgefunden hat, wird das Gelenk auf seine neue Position, die näher an der Grenze liegt, eingeschränkt. Der Prozess wird beibehalten, bis die Gelenkposition in dem durch die Werte bei 918 bzw. 920 festgelegten Bereich liegt.
Es ist zu erkennen, dass eine maximale Geschwindigkeit, wie durch das Bezugszeichen 935 angegeben, in ähnlicher Weise wie die minimale Geschwindigkeit bestimmt wird, wie in 19 der Zeichnungen zu sehen ist.
Mit Bezug nun auf 20 der Zeichnungen wird nun ein bevorzugter Simulationsblock 834A beschrieben. In 20 werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Teile oder Aspekte zu bezeichnen, wenn nicht anders angegeben.
In 20 wird die Kartesische Bezugsgeschwindigkeit eingegeben, wie durch den Pfeil 833 angegeben. Die simulierten Gelenkpositionen und -geschwindigkeiten werden bei 835 ausgegeben. Die Kartesische Bezugsgeschwindigkeit 833 wird zu einem Block der modifizierten vollen Jakobischen Inversen bei 942 und zu einem Isolationsblock bei 944 geleitet.
Bei 942 wird das Signal 833 der Kartesischen Bezugsgeschwindigkeit in ein entsprechendes Gelenkgeschwindigkeitssignal 946 transformiert. Der Block 942 der modifizierten vollen Jakobischen Inversen berücksichtigt Singularitäten, wie bereits mit Bezug auf 904 in 18 beschrieben.
Bei der erörterten minimal invasiven Operationsvorrichtung umfasst der Block der modifizierten vollen Jakobischen Inversen typischerweise eine Matrix mit sechs mal sechs Termen. Nach Transformation am Block 942 wird das resultierende Gelenkgeschwindigkeitssignal zu einem Isolationsblock 948 geleitet. Am Isolationsblock 948 werden die Terme bezüglich der Handgelenke, wie in 5 der Zeich nungen angegeben, von den Termen in Bezug auf die Gelenke am Roboterarm 12 isoliert, wie in 2A und 2B angegeben. Nach Isolation bei 948 werden die Handgelenkgeschwindigkeiten zu einem Handgelenkgeschwindigkeits- und -positions-Begrenzungsblock bei 950 weitergeleitet.
Bei 950 werden Handgelenkgeschwindigkeitsgrenzen jedem Handgelenk in ähnlicher Weise wie beim vorstehend mit Bezug auf 19 beschriebenen Verfahren auferlegt. Für die Handgelenke, nämlich die Gelenke, die drei Freiheitsgrade von Bewegungen für den End-Effektor 58 vorsehen, werden jedoch die Begrenzungen vielmehr gleichzeitig als auf einer gelenkweisen Basis auferlegt. Dies wird nun mit Bezug auf 21 beschrieben.
Mit Bezug auf 21 werden die Grenzen für jedes Gelenk in ähnlicher Weise wie der mit Bezug auf 19 beschriebenen bestimmt. Wie bei 970 angegeben, werden jedoch die Begrenzungen verwendet, um eine entsprechende Geschwindigkeitsbegrenzung für die drei Gelenke zusammen zu definieren, wie durch den Kasten 972 angegeben. Folglich wird eine mehrdimensionale Gelenkgeschwindigkeitsbegrenzung, in diesem Fall eine dreidimensionale Gelenkgeschwindigkeitsbegrenzung, vorgesehen.
Das eingegebene Gelenkgeschwindigkeitssignal bei 951 wird mit der mehrdimensionalen Gelenkgeschwindigkeitsbegrenzung bei 970 verglichen. Sollte das eingegebene Geschwindigkeitssignal 951 vollständig innerhalb die Begrenzung fallen, ist es durch die Begrenzung unverändert. In einem solchen Fall ist das ausgegebene Geschwindigkeitssignal 952 dasselbe wie das eingegebene Geschwindigkeitssignal 951. Sollte jedoch das eingegebene Geschwindigkeitssignal 951 außerhalb die Begrenzung fallen, wählt der Begrenzungsblock bei 970 die ausgegebene Geschwindigkeit 952 gemäß einem Kriterium aus, das nun beschrieben wird.
Ein Gelenkgeschwindigkeitsfehler zwischen dem eingegebenen Geschwindigkeitssignal 951 und der ausgewählte ausgegebenen Geschwindigkeit 952 ist wie bei 974 dargestellt definiert. Der Gelenkgeschwindigkeitsfehler wird unter Verwendung einer Jakobischen Matrix bei 976 in einen Kartesischen Geschwindigkeitsfehler transformiert. Es ist zu erkennen, dass die Jakobische Matrix bei 976 die Kinematik der Handgelenke beschreibt, die die Schwenkpunkte 54, 60 und die Achse 14.2 mit Bezug auf 5 umfasst. Der Betrag des Kartesischen Geschwin digkeitsfehlers wird dann bei 978 bestimmt.
Das Kriterium für die Auswahl der ausgegebenen Geschwindigkeit 952 durch den Begrenzungsblock 970 ist die Entsprechung der mehrdimensionalen Begrenzung und die Minimierung des Kartesischen Geschwindigkeitsfehlerbetrags.
Bei Rückkehr nun zu 20 der Zeichnungen stellt die Ausgabe 952 aus dem Begrenzungsblock 950 ein kombiniertes Gelenkgeschwindigkeitssignal mit Gelenkgeschwindigkeiten an den Gelenken oder Schwenkpunkten 54, 60 und der Gelenkgeschwindigkeit um die Achse 14.2 mit Bezug auf 5 der Zeichnungen dar, nachdem irgendwelche Begrenzungen bezüglich der Geschwindigkeit, Position und der Singularitäten auferlegt wurden.
Am Isolationsblock 944 werden die Parallelverschiebungsterme der Kartesischen Geschwindigkeit vom Kartesischen Bezugsgeschwindigkeitssignal 833 isoliert. Die isolierten Terme entsprechen den Kartesischen Geschwindigkeitsbefehlen, die sich an die Gelenke am Roboterarm 12 wenden. Nach der Isolation wird das Signal der Kartesischen Bezugsgeschwindigkeit nur für die Außengelenke zu einem Einstellblock bei 954 weitergeleitet.
Im Fall, dass das Handgelenkgeschwindigkeitssignal an einem oder beiden der Blöcke 942, 950 eingeschränkt wurde, kann die Außengelenkgeschwindigkeit bei 954 angepasst werden. Dies wird nun genauer und mit Bezug auf 5 der Zeichnungen beschrieben.
Es ist zu erkennen, dass ein Befehl an der Master-Steuerung 700 in Bezug auf nur eine Orientierungsänderung des End-Effektors 58 nicht nur zu einer Reaktionswinkelbewegung um die Schwenkpunkte 54, 60 und um die Achse 14.2, sondern auch einer Außengelenk-Reaktionsbewegung führen kann. Dies liegt an Strukturverschiedenheiten zwischen dem Master und dem Slave. Damit der Slave eine Orientierungsbewegung durchführt, die einer Master-Orientierungsbewegung entspricht, ist es somit manchmal erforderlich, dass die Slave-Außengelenke sich auch bewegen.
Im Fall, dass Handgelenkgeschwindigkeitsgrenzen auferlegt wurden, ist es folglich erforderlich, die Außengelenk- oder Parallelverschiebungsgeschwindigkeit in dem Umfang anzupassen, in dem die Außengelenkgeschwindigkeit einen Teil der Orientierungshandgelenkbegrenzung bildete. Dies wird bei 954 erreicht.
Das resultierende, möglicherweise angepasste Signal der Kartesischen Parallelverschiebungsgeschwindigkeit wird dann zu einem Block einer modifizierten Jakobischen Parallelverschiebungsinversen bei 956 weitergeleitet. Bei 956 wird das Signal in ein entsprechendes Gelenkraum-Geschwindigkeitssignal umgewandelt. Die modifizierte Jakobische inverse Matrix bei 956 berücksichtigt die Singularität des Drehpunkts 49 und die maximale Roboterarm-Taumelsingularität, wie bereits mit Bezug auf 4 beschrieben. Das Gelenkraum-Geschwindigkeitssignal von 956 wird dann zu einem Begrenzungsblock bei 958 geleitet. Bei 958 werden dem Signal Positions- und Geschwindigkeitsbegrenzungen in einer Weise ähnlich zu der bereits mit Bezug auf 19 der Zeichnungen beschriebenen und für jedes Außengelenk auferlegt.
Das endgültige Handgelenk-Geschwindigkeitssignal und das endgültige Außengelenk-Geschwindigkeitssignal werden dann bei 960 kombiniert, um die simulierte Gelenkgeschwindigkeit 835 zu liefern. Die simulierte Gelenkgeschwindigkeit 835 wird bei 962 integriert, um eine entsprechende simulierte Gelenkposition zu liefern, die durch den anderen der Pfeile 835 angegeben ist.
Die simulierte Gelenkposition wird den Blöcken 942, 950, 954, 956 und 958 zugeführt, um die erforderlichen Berechnungen zu ermöglichen.
Wie erwähnt, kann der Chirurg während des Verlaufs eines chirurgischen Eingriffs bestimmte Handlungen durchführen wollen, wie z.B. Verändern der Endoskopposition, z.B. durch Bewirken, dass sich das Endoskop relativ zu seinem Drehpunkt verlagert, um einen anderen Teil der Operationsstelle zu betrachten oder um zu ermöglichen, dass ein spezieller Teil der Operationsstelle vergrößert wird, oder durch Bewirken, dass sich das Endoskop in einem Winkel um seine Schaftachse verlagert, um die Orientierung der Operationsstelle in einem Winkel zu verlagern, wie auf der Betrachtungsvorrichtung angezeigt, oder dergleichen.
Es ist zu erkennen, dass, wenn die Endoskopposition beispielsweise geändert wird, die Position und Orientierung der End-Effektoren 58, wie in dem auf der Betrachtungsvorrichtung 202 angezeigten Bild betrachtet, sich normalerweise auch ändern. In einem solchen Fall wird die Abbildung der Position und/oder Orientierung des Zangengebildes 706 an den End-Effektoren 58, wie in der Be trachtungsvorrichtung 202 betrachtet, gestört und entspricht normalerweise nicht mehr. Um die Orientierungs- und/oder Positionsabbildung der Zangengebilde 706 auf die neuen Positionen und/oder Orientierungen der End-Effektoren 58, wie auf der Betrachtungsvorrichtung 202 angezeigt, wiederherzustellen, ist es erforderlich, die Zangengebilde-Orientierung und/oder -Position auf jene seines zugehörigen End-Effektors 58 im geänderten Bild wieder abzubilden oder neu auszurichten.
Es ist zu erkennen, dass eine solche erneute Abbildung oder erneute Ausrichtung des Zangengebildes 706 auf den zugeordneten End-Effektor 58 notwendigerweise nicht nur nach einer Änderung des Bildes aufgrund einer sich ändernden Endoskopposition oder -orientierung erforderlich ist. Sie ist auch erforderlich, wenn z.B. eines der Operationsinstrumente 14 gegen ein anderes ausgetauscht wird, das einen anderen End-Effektor trägt, der zum Durchführen einer speziellen Operationsaufgabe erforderlich ist. Sie ist auch erforderlich, wenn die Positionen der Master-Steuerungen im Raum 206 ohne Änderung der End-Effektor-Position geändert werden. Sie ist auch erforderlich, wenn der Drehpunkt 49 zu einem anderen Einschnittpunkt oder Eintrittskanal bewegt wird, indem die Einrichtungsgelenkarme 95 bewegt werden. Sie ist auch erforderlich, wenn der Arm 12 und das Instrument 14 z.B. durch einen Operationsassistenten bewegt werden, ohne die Bewegung des Zangengebildes 706 abzugleichen. Folglich ist eine erneute Ausrichtung normalerweise erforderlich, wenn eine normale oder Online-Steuerung zwischen dem Master und dem Slave in einer Weise unterbrochen wurde, die verursacht, dass ihre Abbildung oder Ausrichtung gestört wird.
Die Steuerschritte, denen das Steuersystem der minimal invasiven Operationsvorrichtung folgen, um eine solche erneute Abbildung oder erneute Ausrichtung des Zangengebildes 706 auf seinen zugeordneten End-Effektor 58 zu erreichen, werden nun mit anfänglichem Bezug auf 22 und dann genauer mit Bezug auf die Fig., die folgen, beschrieben.
Um eine Handlung wie das Ändern der Endoskopposition durchzuführen, wird die Online-Steuerung zwischen dem Master und dem Slave, wie vorher beschrieben, unterbrochen. Dies kann typischerweise durch Aktivieren einer Eingabe wie z.B. Drücken einer Taste, Herabtreten eines Fußpedals, durch Sprachsteuerung oder dergleichen erreicht werden. Dieser Schritt ist bei 502 in 22 angegeben.
Nachdem die Online-Steuerung zwischen dem Master und dem Slave in dieser Weise unterbrochen wird, wird die erforderliche Handlung, wie bei 504 angegeben, wie z.B. Umpositionierung des Endoskops oder dergleichen offline durchgeführt. Bei der Beendung dieser Handlung wird veranlasst, dass sich das Zangengebilde 706 auf eine neue Position und/oder Orientierung seines zugeordneten End-Effektors 58 erneut ausrichtet, wie im neuen Bild betrachtet. Bei der Trennung der Online-Steuerung zwischen dem Master und dem Slave wird der Slave normalerweise in seiner Position verriegelt. Nachdem die Position des Endoskops 304 geändert ist, ändern sich die Position und Orientierung des End-Effektors 58 relativ zum Kamerarahmen 610 normalerweise auch. Um das Zangengebilde 706 erneut auf seinen zugeordneten End-Effektor 58 auszurichten, wird somit veranlasst, dass sich das Zangengebilde 706 in eine neue Position und/oder Orientierung relativ zu seinem Bezugsrahmen, dem Augenrahmen 612, bewegt, in welcher seine Orientierung und/oder Position wiederum auf die Position und/oder Orientierung der neuen Position und/oder Orientierung seines zugeordneten End-Effektors 58 relativ zum Kamerarahmen 610 abgebildet wird. Diese erneute Abbildung der Zangengebildeposition und/oder -orientierung auf jene seines zugeordneten End-Effektors 58 wird in dieser Patentbeschreibung als Master-Ausrichtung bezeichnet und ist bei 506 in 22 angegeben.
Der Master-Ausrichtungsschritt 506 beinhaltet das Berechnen einer neuen erforderlichen Position und/oder Orientierung des Zangengebildes 706 relativ zum Augenrahmen 612, in welcher Position und/oder Orientierung es wiederum auf die Position und/oder Orientierung seines zugeordneten End-Effektors 58 relativ zum Kamerarahmen 610 abgebildet wird. Dieser Schritt ist bei 508 angegeben. Nachdem die neue erforderliche Position und/oder Orientierung des Zangengebildes 706 bestimmt ist, wird veranlasst, dass sich das Zangengebilde 706 in die neue erforderliche Position und/oder Orientierung bewegt, wie bei 510 angegeben. Dies wird typischerweise durch die Aktoren, z.B. Elektromotoren, die dem Master 700 zugeordnet sind, erreicht.
Es ist zu erkennen, dass die Bewegung des Zangengebildes 706 in die neue erforderliche Position und/oder Orientierung, wie bei 510 angegeben, nicht automatisch unter Verwendung von Aktoren erreicht werden muss. Die Bestimmung, wenn das Zangengebilde 706 seine neue Position und/oder Orientierung erreicht, kann durch Vergleichen einer Kartesischen Position und/oder Orientierung der Zange mit der erforderlichen neuen Kartesischen Position und/oder Orientierung oder durch Vergleichen der Zangengelenkposition mit der erforderlichen neuen Gelenkposition durchgeführt werden. Sobald die neue erforderliche Position und/oder Orientierung bestimmt wurde, kann folglich die Bewegung des Zangengebildes in die neue erforderliche Position und/oder Orientierung manuell, z.B. durch den Chirurgen, erreicht werden. Geeignet angeordnete Bremsen oder Verriegelungen können an den Gelenken der Master-Steuerung 700 vorgesehen sein, um zu bewirken, dass sich die Gelenke automatisch verriegeln, wenn jedes Gelenk eine Position erreicht, in dem es mit einer erforderlichen Position dieses Gelenks deckungsgleich ist, um die neue erforderliche Position und/oder Orientierung des Zangengebildes herzustellen. Statt dessen kann das Steuersystem dazu beschaffen sein, zu bewirken, dass ein Signal oder Aufruf, z.B. visuell oder Audio oder dergleichen, dem Chirurgen präsentiert wird, wenn er das Zangengebilde in eine Position und/oder Orientierung bewegt hat, die mit der neuen erforderlichen Position und/oder Orientierung deckungsgleich ist.
Nachdem die erneute Ausrichtung des Masters 700 bezüglich des Slave in dieser Weise durchgeführt wurde, kann die Online-Steuerung zwischen dem Master und dem Slave wieder verbunden werden, wie bei 512 angegeben. Die wiederhergestellte Steuerung zwischen dem Master und dem Slave wird dann unter den neuen Bedingungen durchgeführt, wie bei 514 angegeben, unter denen z.B. die Endoskopposition geändert wurde.
Es ist zu erkennen, dass die Schritte 506, 512 und 514 auch verwendet werden können, um den Master 700 anfänglich auf den Slave auszurichten und um die anfängliche Steuerung zwischen dem Master und dem Slave herzustellen, nachdem das minimal invasive Operationssystem eingeschaltet wird und ein anfängliches Operationsinstrument an einem der Roboterarme 12 angebracht wird.
Der Master-Schritt 508 wird nun mit Bezug auf 23 genauer beschrieben.
Die vorstehend beschriebenen Schritte beim erneuten Ausrichten des Masters auf den Slave werden beispielhaft mit Bezug auf die erforderliche Handlung beschrieben, wenn z.B. das Endoskop in eine neue Position bewegt wurde. Wenn die erforderliche Handlung z.B. für einen Operationsinstrumentenwechsel ist, sind die Schritte ähnlich.
Im Fall eines Operationsinstrumentenwechsels wird das an einem der Roboterarme 12 angebrachte Operationsinstrument gegen ein anderes Operationsinstru ment ausgetauscht. Wenn das neue Operationsinstrument am Roboterarm 12 angebracht wird, wird es in die Operationsstelle derart eingeführt, dass seine End-Effektor-Orientierung in einer speziellen Orientierung relativ zum Arbeitsende des Instruments liegt. Zweckmäßigerweise ist die Orientierung derart, dass die Symmetrieachse 60A des End-Effektors zur Drehachse des Schafts 14 parallel ist.
Da die End-Effektor-Orientierung während des Operationsinstrumentenwechsels normalerweise ungeachtet des am Roboterarm 12 anzubringenden speziellen Operationsinstruments dieselbe ist, sind die Orientierung und Position relativ zum Drehpunktrahmen 630 bekannt, bevor das Operationsinstrument tatsächlich ausgetauscht wird. Somit kann der Master veranlasst werden, sich während der Durchführung eines Operationsinstrument-Wechselvorgangs in einen erwarteten ausgerichteten Zustand zu bewegen, bevor oder während das neue Operationsinstrument tatsächlich am Roboterarm 12 angebracht wird.
Wenn nun zu 23 der Zeichnungen zurückgekehrt wird und wie bereits erwähnt, werden die Slaves bei der Trennung oder Unterbrechung der Online-Steuerung in der Position verriegelt. Sobald die erforderliche Offline-Handlung durchgeführt wurde, werden der Drehpunktrahmen 630 des Slave 798 relativ zum Kamerarahmen 610 und die Slave-Gelenkpositionen (des Roboterarms 12 und des Operationsinstruments 14) in eine FKIN-Steuereinheit bei 516 eingegeben. Die FKIN-Steuereinheit 516 bestimmt die Position und Orientierung des End-Effektor-Rahmens 618 im Kartesischen Raum mit Bezug auf den Kamerabezugsrahmen 610. Die Kartesische Position und Orientierung des End-Effektor-Rahmens 618 relativ zum Kamerarahmen 610 werden dann zu einem inversen Skalierungs- und Versatzblock bei 518 weitergeleitet, wie durch den Pfeil 520 angegeben. Die entsprechende Position und Orientierung des zugehörigen Zangengebildes 706 relativ zum Augenrahmen 612 werden dann bestimmt. Diese entsprechende Position und Orientierung des Zangengebildes 706 relativ zum Augenrahmen 612 stellt die Position und/oder Orientierung dar, in die das Zangengebilde 706 bewegt werden soll, so dass seine Position und/oder Orientierung im Augenrahmen 612 wieder auf die neue Position und/oder Orientierung des End-Effektor-Rahmens 618 relativ zum Kamerarahmen 610 abgebildet wird.
Die entsprechende Position und/oder Orientierung des Zangengebildes 706 relativ zum Augenrahmen 610 wird dann in einen Auswahlblock bei 522 eingegeben, wie durch den Pfeil 524 angegeben. Bei 522 wird eine Auswahl hinsichtlich dessen getroffen, ob nur die Position des Masters auf die Slave-Position ausgerichtet werden soll, nur die Orientierung des Masters auf die Slave-Orientierung ausgerichtet werden soll, oder beides.
Im vorliegenden System beinhaltet die Auswahl aus praktischen Gründen das Ausrichten oder Abbilden der Master-Orientierung nur auf die Slave-Orientierung. Die Option der Ausrichtung der Master-Position auf die Slave-Position steht jedoch auch zur Verfügung. In der folgenden Beschreibung werden die Schritte, die an der Ausrichtung oder Abbildung der Master-Orientierung und -Position auf die Slave-Orientierung und -Position beteiligt sind, beschrieben.
Nach der Auswahl bei 522 werden dann eine gewünschte Kartesische Master-Orientierung und -Position relativ zum Augenrahmen 612 ausgegeben und zu einem Isolationsblock bei 526 weitergeleitet, wie durch den Pfeil 528 angegeben.
Bei 526 werden die gewünschte Kartesische Master-Position und -Orientierung bezüglich des Augenrahmens 612 mit der Position des Plattformrahmens 640 relativ zum Augenrahmen 612 verglichen, um die gewünschte Kartesische Master-Position und -Orientierung relativ zum Plattformrahmen 640 zu berechnen. Die gewünschte Kartesische Master-Position und -Orientierung relativ zum Plattformrahmen 640 werden dann aus 526 ausgegeben, wie durch den Pfeil 530 angegeben.
Die gewünschte Kartesische Master-Position und -Orientierung bezüglich des Plattformrahmens 640 werden dann in einen inversen Master-Kinematikblock bei 532 eingegeben.
Im inversen Master-Kinematikblock 532 werden die Master-Außengelenkpositionen bei 534 bestimmt. Diese Außengelenkpositionen sind die Positionen der Gelenke am gelenkigen Armabschnitt 712 der Master-Steuerung 700, wie am besten in 6B und 6C zu sehen ist.
Anschließend werden die Master-Handgelenkpositionen bei 536 bestimmt. Die Master-Handgelenke sind die Gelenke am Handgelenkkardanrahmen oder Handteil 699, wie am besten in 6A und 6C zu sehen ist. Um die Master-Handgelenkpositionen bei 536 zu bestimmen, sind Informationen bezüglich der Slave-Gelenkpositionen erforderlich, wie durch den Pfeil 538 angegeben und wie nach stehend genauer beschrieben wird. Die gewünschte Master-Gelenkposition, die die Position und Orientierung des Zangengebildes 706 definiert, wird dann ausgegeben, wie durch den Pfeil 560 angegeben.
Der Betrieb des inversen Master-Kinematikblocks 532 wird nun mit Bezug auf 24 genauer beschrieben.
Die gewünschte Kartesische Master-Position und -Orientierung bezüglich des Plattformrahmens 640 wird bei 540 aufgeteilt, um die Kartesische Position des Masters relativ zum Plattformrahmen 640, nämlich die Position des Master-Rahmens 622, dessen Ursprung bei 3A liegt, relativ zum Plattformrahmen 640, und die Kartesische Orientierung des Masters relativ zum Plattformrahmen 640, nämlich die Orientierung des Master-Rahmens 622 relativ zum Plattformrahmen 640, zu liefern.
Wenn der Ursprung des Master-Rahmens 622 vom Schnittpunkt 3A versetzt ist, wie vorstehend erörtert, wird dieser Versatz bei 542 verwendet, um die Position des Schnittpunkts 3A relativ zum Plattformrahmen 640 zu bestimmen, wie durch den Pfeil 544 angegeben. Um dies zu ermöglichen, ist die Kartesische Orientierung des Master-Rahmens 622 relativ zum Plattformrahmen 640 erforderlich, wie durch den Pfeil 543 angegeben.
Die Position des Schnittpunkts 3A relativ zum Plattformrahmen 640 wird dann in einen inversen Kinematikblock bei 546 eingegeben, um die Master-Außengelenkpositionen zu liefern, wie bei 548 angegeben.
Die Kartesische Orientierung des Master-Rahmens 622 relativ zum Plattformrahmen 640, wie durch den Pfeil 543 angegeben, und die Master-Außengelenkpositionen, wie durch den Pfeil 548 angegeben, werden zu einem Einstellungsblock bei 550 weitergeleitet. Es ist zu erkennen, dass die Orientierung des Zangengebildes 706 beeinflusst wird, wenn die Position des gelenkigen Arms 712 funktional nach oben oder unten bewegt wird, wie am besten in 6C zu sehen ist und wie durch Pfeile G angegeben. Folglich wird bei 550 die gewünschte Kartesische Master-Orientierung relativ zum Plattformrahmen 640 eingestellt, um jegliche Beeinflussung zu berücksichtigen, die die Master-Außengelenkposition auf die Master-Orientierung gehabt haben könnte. Nach dem Schritt bei 550 wird folglich die gewünschte Orientierung des Zangengebildes 706 relativ zum freien Ende des gelenkigen Armabschnitts 712, an dem der Handgelenk-Kardanrahmen 699 montiert ist, bestimmt, wie durch den Pfeil 552 angegeben.
Die gewünschte Orientierung des Zangengebildes 706 relativ zum freien Ende des gelenkigen Arms 712 wird dann zu einem Auswahlblock bei 554 weitergeleitet. Bei 554 wird entschieden, ob die Orientierungsneuausrichtung des Masters einer wesentlichen oder absoluten Neuausrichtungsoperation oder einer unbedeutenden oder Delta-Neuausrichtungsoperation entspricht. Diese Entscheidung hängt von der Art von Offline-Handlung ab, die anfänglich erforderlich war und die bei 504 ausgeführt wurde. Handlungen, die eine wesentliche Fehlausrichtung zwischen dem Master und dem Slave verursachen können, sind typischerweise Handlungen wie Operationsinstrumentenwechsel, Änderung des Eintrittskanals (Positionsänderung des Einrichtungsarms 95) bei der Systeminitialisierung, wenn der funktionale Zusammenhang zwischen dem Master und dem Slave vertauscht wird, und dergleichen. Handlungen, die typischerweise eine unwesentliche Fehlausrichtung verursachen, sind beispielsweise, wenn der Chirurg während des Verlaufs eines chirurgischen Eingriffs die Master-Steuerung 700 an der Konsole 200 des Chirurgen umpositioniert, während ihr zugeordneter Slave in der Position verriegelt ist, während einer Endoskoppositionsänderung und dergleichen.
Wenn die Fehlausrichtung wesentlich sein kann, wird eine absolute Master-Handgelenkausrichtungsprozedur durchgeführt, wie bei 556 angegeben. Wenn die Fehlausrichtung unwesentlich wäre, wird eine inkrementale oder Delta-Master-Handgelenkausrichtungsprozedur durchgeführt, wie bei 558 angegeben. Nach der erforderlichen Ausrichtungsprozedur, wie bei 556 oder 558 angegeben, werden die Gelenkpositionen des Handgelenkkardanrahmens 699 bestimmt und werden mit den Master-Außengelenkpositionen kombiniert, um die gewünschten Master-Gelenkpositionen zu liefern, wie bei 560 angegeben.
Die absolute Master-Handgelenkausrichtungsprozedur wird nun mit Bezug auf 25 genauer beschrieben.
Die gewünschte Orientierung des Master-Rahmens 622 relativ zum freien Ende des gelenkigen Armabschnitts 712 wird in einen Lösungsblock bei 562 eingegeben.
Die Konfiguration des Master-Handgelenkkardanrahmens 699 ist derart, dass eine Vielzahl, in diesem Fall eine unendliche Anzahl, von Lösungen bezüglich der Position der Handgelenkkardanrahmenverbindungen, um die gewünschte Orientierung des Master-Rahmens 622 relativ zum freien Ende des gelenkigen Armabschnitt 712 zu liefern, möglich sind. Dies kann am besten mit Bezug auf 28 bis 30 erklärt werden. In den 28 bis 30 sind drei verschiedene Konfigurationen des Handgelenkkardanrahmens 699 gezeigt, die dieselbe Orientierung des Zangengebildes 706 relativ zur Position des freien Endes des gelenkigen Armabschnitts 712 vorsehen, der wie im Allgemeinen bei 702C angegeben angeordnet ist. Mit speziellem Bezug auf 29 und 30 ist zu sehen, dass eine unendliche Anzahl von Lösungen, wie durch Pfeile T angegeben, vorgesehen sind, da die Armelemente 702A und 702D eine beliebige Position innerhalb der zugeordneten Gelenkbereiche bei 704A und 704D um die Achsen 4 und 2 belegen können, um dieselbe Zangengebildeorientierung zu ergeben. Ferner kann der Handgelenkkardanrahmen 699 in eine Konfiguration bewegt werden, die in 28 angegeben ist, um dieselbe Zangengebildeorientierung zu ergeben. In der in 28 gezeigten Konfiguration ist ein anderer Satz von unendlichen Lösungen, wie durch Pfeile R angegeben, vorgesehen, da wiederum die Armelemente 702A und 702D eine beliebige Position innerhalb der Gelenkbereiche der Gelenke 704A und 704D um die Achsen 4, 2 belegen können, um dieselbe Zangengebildeorientierung zu ergeben.
Die der in 29 und 30 angegebenen Handgelenk-Kardankonfiguration entsprechenden unendlichen Lösungen definieren ein Segment von unendlichen Lösungen und die der in 28 angegebenen Handgelenk-Kardankonfiguration entsprechenden Lösungen definieren ein weiteres Segment von unendlichen Lösungen.
Wenn nun zu 25 der Zeichnungen zurückgekehrt wird, werden diese Segmente bei 562 definiert und können in Abhängigkeit von der mechanischen Struktur des Handgelenkkardanrahmens 699 variieren.
Um eine bevorzugte Winkelpositionen der Handgelenk-Kardankonfiguration und des Arms 702 um die Achsen 1, 2, 3 und 4 zu bestimmen, wird jedes Segment durch einen Optimierungslösungsblock 564 geleitet.
Für die in den 29 und 30 angegebene Konfiguration wird eine beliebige Position oder Winkelorientierung des Armelements 702D am Gelenk 704D aus dem Segment von unendliche Lösungen bei 566 ausgewählt. Auf der Basis dieser anfänglichen beliebigen Position wird einem iterativen Prozess dreimal gefolgt, um eine optimale Position der Armelemente 702 anzunähern, wie bei 568 angegeben. Der iterative Prozess beinhaltet das Weiterleiten der anfänglichen beliebigen Position des Arms 702D zu einem inversen Kinematikblock bei 570. Die Zangengebildeorientierung relativ zum freien Ende des gelenkigen Arms 712 wird in den inversen Kinematikblock eingegeben, wie durch den Pfeil 552 angegeben. Die Gelenkpositionen aller Gelenke am Handgelenkkardanrahmen 699 werden auf der Basis der anfänglichen beliebigen Position des Arms 702D bestimmt. Diese Gelenkwerte werden dann durch einen Kostenfunktionsblock bei 572 geleitet. Auf der Basis des durch die Kostenfunktion bestimmten Werts wird eine neue Position des Arms 702D bestimmt, die einen günstigeren Kostenfunktionswert ergeben sollte. Der Prozess wird dreimal wiederholt, wie erwähnt, und die resultierende Position der Arme 702 zusammen mit ihrem Kostenfunktionswert werden zu einem Auswahlblock bei 574 weitergeleitet. Dieser Prozess wird für jedes Lösungssegment wiederholt. Anschließend werden die Konfiguration und die Positionen des Arms 702, die dem niedrigsten Kostenfunktionswert entsprechen, bei 574 ausgewählt, um die Gelenkpositionen des Handgelenkkardanrahmens 699 zu liefern, wie durch den Pfeil 576 angegeben. Es ist zu erkennen, dass die Kostenfunktion ausgewählt werden kann, um den Optimierungsprozess zu regeln. Insbesondere kann die Kostenfunktion Winkelpositionen der Gelenke 704 relativ zu einem Zentrum ihrer jeweiligen Winkelverlagerungsbereiche auswerten, wodurch eine Optimierung des Bewegungsbereichs des Handgelenkkardanrahmens 699 angenähert wird.
Das Zangengebilde 706 ist drehbar am Handgelenkkardanrahmen 699 am Gelenk 704B montiert. Das Gelenk 704B ist so angeordnet, dass es ermöglicht, dass sich das Zangengebilde 706 in einem Winkel durch Vielfache von 180° verlagert. Es ist zu erkennen, dass folglich mehrere Lösungen um die Achse 1 am Gelenk 704B vorliegen, wobei das Zangengebilde 706 auf die Finger seines zugeordneten End-Effektors 58 abgebildet wird. Während der absoluten Ausrichtungsprozedur 556 wird eine bevorzugte Winkelposition des Zangengebildes 706 innerhalb seines Winkelverlagerungsbereichs um die Achse 1 bestimmt. Das Bestimmen der bevorzugten Winkelposition des Zangengebildes 706 wird nun mit Bezug auf 25 und 26 genauer beschrieben.
Die Zangengebildeorientierung relativ zum freien Ende des gelenkigen Arms 712 wird mit der Slave-Gelenkposition bei 578 verglichen. Bei 578 wird der Effekt des Bewirkens, dass sich die Slave-Gelenkpositionen bei 54 und 60 ändern, um zu bewirken, dass sich der End-Effektor 58 in einer Position befindet, in der seine Symmetrieachse 60A zur Achse des Schafts 14.1 parallel ist, auf die Zangengebildeorientierung relativ zum freien Ende des gelenkigen Arms 712 überlagert. Dies ergibt eine simulierte Zangengebildeorientierung oder -winkelposition relativ zum freien Ende des gelenkigen Arms 712, die der End-Effektor-Winkelorientierung entspricht, wenn er in eine Position bewegt wird, in der die Achse 60A zur Achse 14.2 parallel ist. Diese simulierte Orientierung des Zangengebildes 706 wird als Bezugsorientierung bezeichnet, wie durch den Pfeil 580 angegeben.
Die Bezugsorientierung wird dann zu einem inversen Kinematikblock bei 582 weitergeleitet. Im Block 582 werden die Gelenkpositionen, die der Kartesischen Orientierung des Zangengebildes 706 entsprechen, bestimmt, die zweckmäßigerweise die Achsen 1 und 3 des Handgelenkkardanrahmens als senkrecht definieren.
Eine simulierte Handgelenk-Bezugslösung für den Handgelenkkardanrahmen 699 wird folglich bestimmt, wie durch den Pfeil 584 angegeben. Die simulierte Handgelenklösung wird dann zu einem Lösungsblock bei 586 weitergeleitet. Bei 586 wird die Slave-Winkelposition bezüglich seiner Rollachse 14.2 innerhalb seines Winkelverlagerungsbereichs um 14.2 in 586 eingegeben, wie durch den Pfeil 588 angegeben.
Bei 586 wird die Winkelposition des Slave innerhalb seines Winkelverlagerungsbereichs um seine Rollachse 14.2 mit der Winkelposition des Zangengebildes innerhalb seines Winkelverlagerungsbereichs um die Achse 1 der simulierten Handgelenk-Bezugslösung verglichen. In 26 ist die Winkelposition des Slave um 14.2 innerhalb seines Winkelverlagerungsbereichs 555A um 14.2 bei 551 beispielhaft angegeben, wobei sich sein Winkelbereich um 14.2 zwischen einem Minimum, bei 553 angegeben, und einem Maximum, bei 555 angegeben, erstreckt. Der Winkelverlagerungsbereich des Zangengebildes 706 um die Achse 1 ist durch das Bezugszeichen 559A, als sich zwischen einem Minimum, bei 557 angegeben, und einem Maximum, bei 559 angegeben, erstreckend angegeben. Die Winkelposition des Zangengebildes 706 um die Achse 1, wie von 582 (siehe 25) eingegeben, ist beispielsweise bei 561 angegeben. Die Winkelposition des Zangengebildes, wie bei 561 angegeben, wird von der simulierten Handgelenk-Bezugslösung abgeleitet.
Es ist zu erkennen, dass, da das Zangengebilde 706 durch Vielfache von 180° verlagert werden kann, eine Vielzahl von Winkelpositionen existieren, die der Winkelposition bei 561 entsprechen. Diese Winkelpositionen sind bei 563 angegeben. Bei 586 in 25 wird die Winkelposition 551 des Slave um seine Rollachse 14.2 innerhalb seines Winkelverlagerungsbereichs mit den verschiedenen Winkelpositionen 561, 563 innerhalb des Winkelbereichs des Zangengebildes 706 um die Achse 1 verglichen. Die Winkelposition 561, 563 relativ zum Bereich zwischen 557, 559, die der Winkelposition 551 relativ zum Bereich zwischen 553, 555 am besten entspricht, wird dann ausgewählt, wie bei 563A angegeben.
Wie mit Bezug auf 5 erwähnt, weist der End-Effektor 58 zwei Elemente oder Finger 58.1, 58.2 auf, die als "rechter Finger" und "linker Finger" bezeichnet werden. Ebenso weist das Zangengebilde 706 mit Bezug auf 6A zwei gegenüberliegende Elemente auf, auf die der Chirurg seinen Daumen und Zeigefinger legt, welche als "rechte Zange" und "linke Zange" bezeichnet werden. Es ist zu erkennen, dass der linke und der rechte Finger des End-Effektors 58 sowie die linke und die rechte Zange des Zangengebildes 706 symmetrisch und dadurch für einen Benutzer ununterscheidbar erscheinen können, aber dass das Steuersystem 810 zwischen ihnen unterscheiden kann.
Es ist zu erkennen, dass zwei Beziehungen bestehen, in denen das Zangengebilde 706 auf seinen zugeordneten End-Effektor 58 abgebildet werden kann, nämlich entweder, die rechte Zange mit dem rechten Finger in Beziehung zu bringen oder die rechte Zange mit dem linken Finger in Beziehung zu bringen. Die Verlagerung der Winkelposition des Zangengebildes 706 um 180° um die Achse 1 kippt diese Abbildung auf den End-Effektor 58 zwischen diesen zwei Beziehungen.
Durch die Konstruktion bringt die Winkelposition des Zangengebildes 706 um die Achse 1, wie von 582 eingegeben und wie bei 561 angegeben, das Zangengebilde in die Bezugsorientierung und bringt die rechte Zange mit dem rechten Finger in Beziehung. Folglich würde eine Winkelverlagerung von 180° von 561 eine Beziehung von der rechten Zange mit dem linken Finger ergeben. Wie in 26 zu sehen ist, ergibt der Vergleich im vorliegenden Beispiel eine Beziehung von der rechten Zange mit den linken Finger bei 563A. Es ist zu erkennen, dass dieser Schritt lediglich durchgeführt wird, um einen geeigneten Zweig zu bestim men, nämlich entweder die rechte Zange mit dem rechten Finger in Beziehung zu bringen oder die rechte Zange mit dem linken Finger in Beziehung zu bringen.
Bei Rückkehr nun zu 25 der Zeichnungen, wird, wenn der Zweig in dieser Weise bestimmt wurde, die Beziehung zu einem Auswahlblock bei 590 weitergeleitet, wie durch den Pfeil 592 in 25 angegeben. Der Bezugslösungswert bei 563A wird auch zum Auswahlblock 590 weitergeleitet, wie durch den Pfeil 594 angegeben.
Bei 590 und mit Bezug auf 26 wird die Winkelposition 565 des Zangengebildes 706 relativ zu seinem Bereich, wie von 576 abgeleitet, durch das Bezugszeichen 565A angegeben. Wiederum existieren eine Vielzahl von Winkelpositionen, die der Winkelposition bei 565 entsprechen, wie durch die Bezugszeichen 567 angegeben. Durch die Konstruktion bringt die Winkelposition 565, die bei 565A angegeben ist, die rechte Zange mit dem rechten Finger in Beziehung. Um eine geeignete Lösung zu bestimmen, werden nur diejenigen Winkelpositionen, die dem bereits bei 586 bestimmten Zweig entsprechen, nämlich im vorliegenden Beispiel die rechte Zange mit dem linken Finger in Beziehung bringen, als geeignete Lösungen betrachtet.
Folglich wird die Winkelposition des rechten Fingers zum linken Finger, die am besten der Winkelposition bei 563A entspricht, ausgewählt, wie durch das Bezugszeichen 567A angegeben. Dieser Winkelpositionswert wird dann als Winkelposition ausgewählt, in die das Zangengebilde 706 verlagert werden soll, um es auf den End-Effektor auszurichten. Diese Winkelposition zusammen mit den anderen Gelenkpositionen, die bei 574 bestimmt werden, wird dann ausgegeben, wie durch den Pfeil 596 angegeben, um die Gelenkpositionen des Handgelenkkardanrahmens 699 zu liefern.
Mit Bezug nun auf 27 der Zeichnungen wird nun die Delta-Ausrichtungsoperation 558 genauer beschrieben. Die Zangengebildeorientierung relativ zum Ende des gelenkigen Arms 712 wird in einen Lösungsblock 562 in ähnlicher Weise wie die mit Bezug auf 25 beschriebene absolute Ausrichtungsoperation eingespeist. Von 562 werden die Segmente von unendlichen Lösungen zu einem Auswahlblock bei 569 weitergeleitet. Bei 569 wird die Position des Armelements 702D am Gelenk 704D für die Lösung, die am nächsten zu der aktuellen Master-Gelenkposition liegt, ausgewählt. Die Position des Armelements 702D wird dann in einen inversen Kinematikblock bei 571 zusammen mit der Zangengebildeorientierung relativ zum Ende des gelenkigen Arms 712 eingespeist, wie durch den Pfeil 573 angegeben, um die Winkelpositionen der Handgelenk-Kardangelenke zu liefern, wie durch den Pfeil 579 angegeben. Bei 575 werden die Gelenkpositionen, die durch den Pfeil 579 angegeben sind, die aktuelle Master-Gelenkposition und Informationen bezüglich dessen, was der aktuelle Zweig ist, nämlich rechte Zange zu rechtem Finger oder rechte Zange zu linkem Finger, verglichen, um eine geeignete Winkelposition des Zangengebildes 706 um die Achse 1 in ähnlicher Weise, wie vorstehend bei 590 mit Bezug auf 25 und 26 beschrieben, zu bestimmen. In diesem Fall wird angenommen, dass nur eine unwesentliche Fehlausrichtung stattgefunden hat, so dass die momentanen Master-Gelenkpositionen und der momentane Zweig anstelle der Bezugslösung 594 und des Bezugszweigs 592 verwendet werden. Die Winkelposition des Zangengebildes um die Achse 1 zusammen mit den anderen bei 571 bestimmten Gelenkpositionen werden dann ausgegeben, wie durch 577 angegeben, um die Handgelenk-Kardangelenkpositionen zu liefern.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf deren bevorzugte Ausführungsformen speziell gezeigt und beschrieben wurde, ist es für Fachleute selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen in der Form und den Einzelheiten an dieser vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie in den begleitenden Ansprüchen definiert, abzuweichen. Dort, wo auf Kartesische Koordinatensysteme Bezug genommen wird, können ferner Polarkoordinatensysteme oder zylindrische Systeme oder dergleichen statt dessen verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer gewünschten Orientierungsbeziehung zwischen einem Handteil (699) einer Master-Steuerung (700) und einem End-Effektor (58) eines zugeordneten Slave bei Betrachtung in einem Bild, das auf einer Betrachtungsvorrichtung (202) angezeigt wird, wobei das Verfahren umfasst: Bewirken, dass der End-Effektor unbeweglich bleibt; Bestimmen einer momentanen Orientierung des End-Effektors (58) in Bezug auf ein Betrachtungsende (306) einer Bildaufnahmevorrichtung (304), die der Betrachtungsvorrichtung (202) funktional zugeordnet ist; Bestimmen einer gewünschten entsprechenden Orientierung des Handteils (699) der Master-Steuerung (700) in Bezug auf die Betrachtungsvorrichtung, in der die gewünschte Orientierungsbeziehung gebildet werden würde; und Bewegen des Handteils (699) der Master-Steuerung (700) in die gewünschte entsprechende Orientierung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der anfängliche Bestimmungsschritt das Berechnen der Orientierung in Bezug auf einen Bezugskoordinatenrahmen, der an dem Betrachtungsende der Bildaufnahmevorrichtung (304) positioniert ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner das Definieren eines Koordinatenrahmens an dem End-Effektor (58) umfasst, wobei die Orientierung des End-Effektors dann durch die Orientierung des Koordinatenrahmens an dem End-Effektor (58) in Bezug auf den Referenz-Koordinatenrahmen definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Bestimmung der gewünschten entsprechenden Orientierung des Handteils (699) der Master-Steuerung (700) in Bezug auf die Betrachtungsvorrichtung das Berechnen einer Orientierung des Handteils in Bezug auf einen Referenzkoordinatenrahmen, der sich im Allgemeinen bei der Betrachtungsvorrichtung (202) befindet, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Berechnen der Orientierung des Handteils (699) in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen, der sich im Allgemeinen bei der Betrachtungsvorrichtung (202) befindet, das Definieren eines Koordinatenrahmens bei dem Handteil umfasst, wobei die Orientierung des Handteils dann bei der Orientierung des Koordinatenrahmens an dem Handteil in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen bei der Betrachtungsvorrichtung definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Bestimmung der gewünschten entsprechenden Orientierung des Handteils (699) die Bestimmung einer Orientierung des Handteils in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen, der sich im Allgemeinen bei der Betrachtungsvorrichtung befindet, die gleich der Orientierung des End-Effektors in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen bei der Bildaufnahmevorrichtung (304) ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Bestimmung der gewünschten entsprechenden Orientierung des Handteils (699) die Bestimmung einer Orientierung des Handteils in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen, der sich im Allgemeinen bei der Betrachtungsvorrichtung (202) befindet, die in Bezug auf die Orientierung des End-Effektors (58) relativ zu dem Referenzkoordinatenrahmen bei der Bildaufnahmevorrichtung versetzt ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Master-Steuerung (700) mehrere Konfigurationen besitzt, die die gewünschte entsprechende Orientierung liefern, wobei das Verfahren das Berechnen einer bevorzugten Konfiguration der Master-Steuerung, bei der sich das Handteil (699) in der gewünschten entsprechenden Orientierung befindet, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Berechnen der bevorzugten Konfiguration das Untersuchen mehrerer Lösungen, die wenigstens einem Segment von Lösungen entsprechen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Untersuchen der mehreren Lösungen des Segments das Auswählen einer beliebigen Lösung und dann das Verfolgen einer iterativen Prozedur umfasst, um die bevorzugte Lösung zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Verfolgen einer iterativen Prozedur für die Bestimmung der bevorzugten Lösung das Verwenden einer Kostenfunktion umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die bevorzugte Lösung mit der Lösung, die den niedrigsten Kostenfunktionswert hat, in Beziehung steht.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bestimmen einer momentanen Position des End-Effektors (699) in Bezug auf das Betrachtungsende der Bildaufnahmevorrichtung (304), die der Betrachtungsvorrichtung funktional zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Bestimmen einer gewünschten entsprechenden Position des Handteils der Master-Steuerung (700) in Bezug auf die Betrachtungsvorrichtung (202), wobei an dieser Position eine gewünschte räumliche Beziehung zwischen dem Handteil der Master-Steuerung und dem End-Effektor (58) gebildet werden würde; und Bewegen des Handteils der Master-Steuerung in die gewünschte entsprechende Position.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Bestimmung der momentanen Position des End-Effektors (58) in Bezug auf das Betrachtungsende der Bildaufnahmevorrichtung (304) das Berechnen der Position in Bezug auf einen Referenzkoordinatenrahmen, der an dem Betrachtungsende der Bildaufnahmevorrichtung positioniert ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Berechnung der Position des End-Effektors (58) in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen bei dem Betrachtungsende der Bildaufnahmevorrichtung (304) das Definieren eines Koordinatenrahmens an dem End-Effektor umfasst, wobei die Position des End-Effektors dann durch die Position des Koordinatenrahmens an dem End-Effektor in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Bestimmung der gewünschten entsprechenden Position des Handteils (699) der Master-Steuerung (700) in Bezug auf die Betrachtungsvorrichtung (202) das Berechnen einer Position des Handteils in Bezug auf einen Referenzkoordinatenrahmen, der sich im Allgemeinen bei der Betrachtungsvorrichtung befindet, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Berechnen der Position des Handteils (699) in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen, der sich im Allgemeinen bei der Betrachtungsvorrichtung befindet, das Definieren eines Koordinatenrahmens an dem Handteil umfasst, wobei die Position des Handteils dann durch die Position des Koordinatenrahmens an dem Handteil in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen bei der Betrachtungsvorrichtung (202) definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Bestimmung der gewünschten entsprechenden Position des Handteils (699) die Bestimmung einer Position des Handteils in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen, der sich im Allgemeinen bei dem Betrachter befindet, die gleich der Position des End-Effektors in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen bei der Bildaufnahmevorrichtung (304) ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Bestimmung der gewünschten entsprechenden Position des Handteils die Bestimmung einer Position des Handteils in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen, der sich im Allgemeinen bei der Betrachtungsvorrichtung befindet, die in Bezug auf die Position des End-Effektors in Bezug auf den Referenzkoordinatenrahmen bei der Bildaufnahmevorrichtung versetzt ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bewegen des Handteils der Master-Steuerung in die gewünschte entsprechende Orientierung das Zuführen von elektrischem Strom zu Elektromotoren, die dem Handteil zugeordnet sind, umfasst, wodurch das Handteil zu einer Bewegung in die gewünschte Orientierung veranlasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bewegen des Handteils der Master-Steuerung in die gewünschte entsprechende Orientierung das manuelle Bewegen des Handteils umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Hervorrufen einer Verriegelung des Handteils in seiner Position umfasst, wenn dessen Orientierung in eine Orientierung bewegt ist, die mit der gewünschten entsprechenden Orientierung deckungsgleich ist.
Verfahren nach Anspruch 22, das das Bereitstellen eines Signals für eine das Handteil manuell bewegende Bedienungsperson, wenn das Handteil in eine Orientierung bewegt wird, die mit der gewünschten entsprechenden Orientierung deckungsgleich ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Bewegen des Handteils der Master-Steuerung in die gewünschte entsprechende Position das Zuführen von elektrischem Strom zu Elektromotoren, die dem Handteil zugeordnet sind, umfasst, wodurch das Handteil zu einer Bewegung in die gewünschte Position veranlasst wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Bewegen des Handteils der Master-Steuerung in die gewünschte entsprechende Position das manuelle Bewegen des Handteils umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, das ferner das Hervorrufen einer Verriegelung des Handteils in seiner Position umfasst, wenn dessen Position in eine Position bewegt wird, die mit der gewünschten entsprechenden Position deckungsgleich ist.
Verfahren nach Anspruch 26, das ferner das Bereitstellen eines Signals für eine das Handteil (699) manuell bewegende Bedienungsperson, wenn das Handteil in eine Position bewegt wird, die mit der gewünschten entsprechenden Position deckungsgleich ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Auswählen einer bevorzugten Winkelposition des Handteils der Master-Steuerung um dessen Rollachse, die einer momentanen Winkelposition des End-Effektors um dessen Rollachse entspricht, wobei das Handteil mehrere Winkelpositionen haben kann, die relativ zueinander um 180° beabstandet sind und der momentanen Winkelposition des End-Effektors entsprechen, durch Bestimmen der Winkelposition des End-Effektors in Bezug auf einen Winkelverlagerungsbereich um dessen Rollachse; Bestimmen simulierter Positionen des Handteils, die der Winkelposition des End-Effektors entsprechen; Vergleichen der Winkelposition des End-Effektors in Bezug auf seinen Winkelverlagerungsbereich mit den simulierten Winkelpositionen des Handteils in Bezug auf simulierte Winkelverlagerungsbereiche des Handteils; und Auswählen der simulierten Winkelposition des Handteils in Bezug auf dessen simulierten Winkelverlagerungsbereich, die die Winkelposition des End-Effektors in Bezug auf dessen Winkelverlagerungsbereich am besten widerspiegelt.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem das Handteil (699) an einem zugeordneten Träger so angebracht ist, dass seine Orientierung einstellbar ist, und der End-Effektor (58) an einem zugeordneten Träger so angebracht ist, dass seine Orientierung einstellbar ist, wobei das Verfahren den ersten Schritt des Bestimmens einer gewünschten Orientierung des Handteils (699) umfasst, bei dem eine gewünschte Orientierungsbeziehung zwischen dem Handteil und dem End-Effektor (58) geschaffen wird, wobei die gewünschte Orientierung des Handteils eine der entsprechenden Winkelpositionen des Handteils definiert, die der momentanen Winkelposition des End-Effektors entspricht.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem der Vergleichsschritt das Beaufschlagen des Handteils (699) mit einer simulierten Orientierungsänderung umfasst, die einer simulierten Orientierungsänderung des End-Effektors entspricht, indem dessen Orientierung in eine vorgegebene Referenzorientierung bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, das die Bestimmung einer Referenzlösungsmenge von Winkelpositionen in 180°-Intervallen relativ zueinander für die simulierte Orientierung des Handteils (699), die der Winkelposition des End-Effektors in seiner simulierten vorgegebenen Referenzorientierung entsprechen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 32, das das Vergleichen der momentanen Winkelposition des End-Effektors (58) in Bezug auf dessen Winkelverlagerungsbereich mit den Winkelpositionen der Referenzlösungsmenge in Bezug auf den Winkelverlagerungsbereich des Handteils (699) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, das das Auswählen der Winkelposition der Referenzlösungsmenge in Bezug auf den Winkelverlagerungsbereich des Handteils, die die momentane Winkelposition des End-Effektors (58) in Bezug auf dessen Winkelverlagerungsbereich am bestem widerspiegelt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 34, das das vorherige Definieren eines Lösungszweigs von 360°-Intervallen und das vorherige Definieren eines weiteren Lösungszweigs von 360°-Intervallen, der von dem ersten Lösungszweig um 180° versetzt ist, umfasst, wobei die ausgewählte Winkelposition einen der Lösungszweige definiert.
Verfahren nach Anspruch 35, das das Vergleichen des definierten Lösungszweigs und der ausgewählten Winkelposition der Referenzlösungsmenge mit den Winkelpositionen des Handteils (699), die der momentanen Winkelposition des End-Effektors (58) entsprechen, in Bezug auf den Winkelverlagerungsbereich des Handteils und das Auswählen der Winkelposition in Bezug auf den Winkelverlagerungsbereich des Handteils, die dem definierten Lösungszweig entspricht und die ausgewählte Winkelposition der Referenzlösungsmenge am besten widerspiegelt, umfasst.
Chirurgisches Steuersystem, das so beschaffen ist, dass es eine gewünschte Orientierungsbeziehung zwischen einem Handteil (699) einer Master-Steuerung (700) und einem End-Effektor (58) eines zugeordneten Slave bei Betrachtung in einem angezeigten Bild auf einer Betrachtungsvorrichtung (202) hervorruft, die gebildet werden soll, wenn eine funktionale Steuerung zwischen der Master-Steuerung (700) und dem Slave unterbrochen wird, wobei das Steuersystem umfasst: einen Prozessor, der so beschaffen ist, dass er bewirkt, dass der End-Effektor (58) unbeweglich bleibt; einen Prozessor, der so beschaffen ist, dass er eine momentane Orientierung des End-Effektors in Bezug auf ein Betrachtungsende (306) einer Bildaufnahmevorrichtung (304), die der Betrachtungsvorrichtung (202) funktional zugeordnet ist, berechnet; und eine gewünschte entsprechende Orientierung des Handteils (699) der Master-Steuerung (700), in der die gewünschte Orientierungsbeziehung zwischen dem Handteil der Master-Steuerung und dem End-Effektor (58) gebildet werden würde, berechnet, und Mittel, um das Handteil (699) der Master-Steuerung in die gewünschte Position zu bewegen.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 37, das ferner einen Aktor umfasst, der so beschaffen ist, dass er das Handteil (699) der Master-Steuerung (700) dazu veranlasst, sich in die gewünschte Orientierung zu bewegen.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 37, das ferner eine Verriegelungsanordnung umfasst, um das Handteil (699) der Master-Steuerung (700), das in eine Orientierung bewegt ist, die mit der gewünschten Orientierung deckungsgleich ist, zu verriegeln.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 37, das ferner einen Signalgenerator umfasst, um ein Signal zu erzeugen, das angibt, dass das Handteil (699) der Master-Steuerung (700) in eine Orientierung bewegt worden ist, die mit der gewünschten Orientierung deckungsgleich ist.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 37, das ferner umfasst: einen Prozessor, der so beschaffen ist, dass er eine momentane Position des End-Effektors in Bezug auf ein Betrachtungsende der Bildaufnahmevorrichtung (304), die der Betrachtungsvorrichtung funktional zugeordnet ist, berechnet und eine gewünschte entsprechende Position des Handteils (699) der Master-Steuerung (700), in der die gewünschte räumliche Beziehung zwischen dem Handteil der Master-Steuerung und dem End-Effektor (58) gebildet werden würde, berechnet.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 41, das ferner einen Aktor umfasst, der so beschaffen ist, dass er das Handteil (699) der Master-Steuerung (700) dazu veranlasst, sich in die gewünschte Position zu bewegen.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 41, das ferner eine Verriegelungsanordnung umfasst, um das Handteil (699) der Master-Steuerung (700) zu verriegeln, wenn es in eine Position bewegt worden ist, die mit der gewünschten Position deckungsgleich ist.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 41, das ferner einen Signalgenerator umfasst, um ein Signal zu erzeugen, das angibt, dass das Handteil (699) der Master-Steuerung (700) in eine Position bewegt worden ist, die mit der gewünschten Position deckungsgleich ist.