DE60022911T2

DE60022911T2 - Steuerung mittels kamera in einem gerät für minimalinvasivechirurgie

Info

Publication number: DE60022911T2
Application number: DE60022911T
Authority: DE
Inventors: D. Gunter NIEMEYER; S. Gary GUTHART; C. William NOWLIN; Nitish Swarup; K. Gregory TOTH; G. Robert YOUNGE
Original assignee: Intuitive Surgical Inc
Current assignee: Intuitive Surgical Inc
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: US20040039485A1; EP1269389A1; US20060106493A1; EP1269389A4; EP1269389B1; ES2248066T3; US7155315B2; DE60022911D1; US6671581B2; US6424885B1; WO2000060521A1; ATE305639T1; US20030004610A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Minimal invasive medizinische Techniken zielen darauf ab, die Menge des fremden Gewebes zu verringern, das während diagnostischer oder chirurgischer Prozeduren beschädigt wird, um dadurch die Genesungszeit des Patienten, die Beschwerden und schädliche Nebenwirkungen zu verringern. In den Vereinigten Staaten werden jedes Jahr Millionen operative Eingriffe ausgeführt. Viele dieser operativen Eingriffe können potentiell in einer minimal invasiven Weise ausgeführt werden. Gegenwärtig werden diese Techniken aufgrund der Einschränkungen bei den minimal invasiven chirurgischen Instrumenten und Techniken und dem zusätzlichen chirurgischen Training, das erforderlich ist, um sie zu meistern, jedoch nur bei einer relativ kleinen Anzahl operativer Eingriffe verwendet.
Die Fortschritte der minimal invasiven chirurgischen Technologie könnten die Anzahl der operativen Eingriffe, die in einer minimal invasiven Weise ausgeführt werden, dramatisch vergrößern. Die mittlere Länge eines Krankenhausaufenthalts für einen operativen Standardeingriff ist signifikant länger als die mittlere Länge für den äquivalenten operativen Eingriff, der in einer minimal invasiven chirurgischen Weise ausgeführt wird. Folglich könnte die vollständige Übernahme minimal invasiver Techniken Millionen von Krankenhaustagen und folglich Millionen von Dollar jährlich allein an Krankenhausaufenthaltskosten einsparen. Mit der minimal invasiven Chirurgie werden außerdem die Genesungszeiten der Patienten verkürzt sowie die Beschwerden der Patienten, die chirurgischen Nebenwirkungen und die Fehlzeiten bei der Arbeit verringert.
Die häufigste Form der minimal invasiven Chirurgie kann die Endoskopie sein. Die wahrscheinlich häufigste Form der Endoskopie ist die Laparoskopie, die die minimal invasive Untersuchung und Chirurgie innerhalb der Bauchhöhle ist. Bei der laparoskopischen Standardchirurgie wird Gas in den Abdomen des Patienten eingeblasen, wobei die Kanülenhüllen durch kleine (etwa 12,7 mm, 1/2 Zoll) Einschnitte geleitet werden, um Eintrittsöffnungen für die laparoskopischen chirurgischen Instrumente zu schaffen.
Die laparoskopischen chirurgischen Instrumente enthalten im Allgemeinen ein Laparoskop, um das chirurgische Feld zu betrachten, und Arbeitswerkzeuge, die Endeinwirkungseinrichtungen definieren. Typische chirurgische Endeinwirkungseinrichtungen enthalten z. B. Klammern, Greifer, Scheren, Hefteinrichtungen oder Nadelhalter. Die Arbeitswerkzeuge sind zu denjenigen ähnlich, die der herkömmlichen (offenen) Chirurgie verwendet werden, mit Ausnahme, dass das Arbeitsende oder die Endeinwirkungseinrichtung des Werkzeugs von seinem Griff getrennt ist, z. B. durch ein etwa 305 mm (12 Zoll) langes Verlängerungsrohr.
Um die chirurgischen Prozeduren auszuführen, leitet der Chirurg diese Arbeitswerkzeuge oder Instrumente durch die Kanülenhüllen zu einer erforderlichen internen Operationsstelle, wobei er sie von außerhalb des Abdomens manipuliert, indem er sie durch die Kanülenhüllen hinein- und herausschiebt, sie in den Kanülenhüllen dreht, die Instrumente gegen die Bauchwand stemmt (d. h. schwenkt) und die Endeinwirkungseinrichtungen an den distalen Enden der Instrumente von außerhalb des Abdomens betätigt. Die Instrumente schwenken um Zentren, die durch die Einschnitte definiert sind, die sich durch die Muskeln der Bauchwand erstrecken. Der Chirurg überwacht die Prozedur mittels eines Fernsehmonitors, der ein Bild der Operationsstelle über eine laparoskopische Kamera anzeigt. Die laparoskopische Kamera wird außerdem durch die Bauchwand und in die Operationsstelle eingeführt. Ähnliche endoskopische Techniken werden z. B. bei der Arthroskopie, der Retroperitoneoskopie, der Pelviskopie, der Nephroskopie, der Zystoskopie, der Zisternoskopie, der Sinoskopie, der Hysteroskopie, der Urethroskopie und dergleichen verwendet.
Es gibt viele Nachteile bezüglich der aktuellen minimal invasiven chirurgischen Technologie (MIS-Technologie). Vorhandene MIS-Instrumente verweigern z. B. dem Chirurgen die Flexibilität des Austauschs des Werkzeugs, die in der offenen Chirurgie gefunden wird. Die aktuellsten laparoskopischen Werkzeuge besitzen starre Schäfte, wobei bei der Annäherung an die Operationsstelle durch den kleinen Einschnitt auf Schwierigkeiten gestoßen wird. Außerdem verringert die Länge und die Konstruktion vieler chirurgischer Instrumente die Fähigkeit des Chirurgen, die durch die Gewebe und Organe auf die Endeinwirkungseinrichtung des zugeordneten Werkzeugs ausgeübten Kräfte zu fühlen. Der Mangel an Geschicklichkeit und Empfindlichkeit der chirurgischen Werkzeuge ist ein Haupthindernis für die Ausbreitung der minimal invasiven Chirurgie.
Minimal invasive telechirurgische Systeme für die Verwendung in der Chirurgie werden entwickelt, um sowohl die Geschicklichkeit eines Chirurgen zu vergrößern als auch einem Chirurgen zu erlauben, von einem entfernten Ort an einem Patienten zu operieren. Die Telechirurgie ist ein allgemeiner Begriff für chirurgische Systeme, bei denen der Chirurg irgendeine Form der Fernsteuerung, z. B. einen Servomechanismus oder dergleichen, verwendet, um die Bewegungen chirurgischer Instrumente zu manipulieren, anstatt die Instrumente direkt von Hand zu halten und zu bewegen. In einem derartigen Telechirurgiesystem wird der Chirurg am entfernten Ort mit einem Bild der Operationsstelle versehen. Während der Chirurg typischerweise ein dreidimensionales Bild der Operationsstelle auf einer geeigneten Betrachtungseinrichtung oder Anzeige betrachtet, führt er die chirurgischen Prozeduren am Patienten aus, indem er Haupt- bzw. Mastersteuervorrichtungen am entfernten Ort manipuliert, die die Bewegungen der servomechanisch betriebenen Instrumente steuern.
Der für die Telechirurgie verwendete Servomechanismus akzeptiert oft Eingaben von zwei Haupt- bzw. Mastersteuerungen (eine für jede der Hände des Chirurgen), wobei er zwei Roboterarme enthalten kann. Die operative Kommunikation zwischen jeder Haupt- bzw. Mastersteuerung und einer zugeordneten Arm- und Instrumentenbaugruppe wird durch ein Steuersystem erreicht. Das Steuersystem enthält wenigstens einen Prozessor, der die eingegebenen Befehle von einer Haupt- bzw. Mastersteuerung zu einer zugeordneten Arm- und Instrumentenbaugruppe und z. B. im Fall der Kraftrückkopplung von der Arm- und Instrumentenbaugruppe zur zugeordneten Haupt- bzw. Mastersteuerung weiterleitet.
Es würde vorteilhaft sein, falls die Position der Bildaufnahmeeinrichtung während des Verlaufs einer chirurgischen Prozedur geändert werden könnte, um dem Chirurgen zu ermöglichen, die Operationsstelle von einer weiteren Position zu betrachten. Es ist klar, dass sich die Orientierung und die Position der Endeinwirkungseinrichtungen im betrachteten Bild außerdem ändern könnten, sollte sich die Position der Bildaufnahmeeinrichtung ändern. Es würde ferner vorteilhaft sein, falls die Beziehung, mit der die Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung auf die Bewegung der Hand abgebildet (kartographiert) wird, abermals nach einer derartigen Positionsänderung der Bildaufnahmeeinrichtung aufgebaut werden könnte.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Steuersystem für eine Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie zu schaffen, die die Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung auf die Bewegung der Hand abbildet. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Steuersystem für eine Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie zu schaffen, die erlauben, dass das Abbilden der Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung auf die Bewegung der Hand wie derhergestellt wird, nachdem es z. B. durch eine Positionsänderung einer Bildaufnahmeeinrichtung unterbrochen worden ist.
Obwohl in dieser Beschreibung das Verfahren und das Steuersystem der Erfindung unter Bezugnahme auf eine Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie beschrieben werden, ist klar, dass die Anwendung der Erfindung nicht nur auf diese Anwendung eingeschränkt ist, sondern dass es in jedem Typ einer Vorrichtung verwendet werden kann, bei 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, die Orientierungs- und Positionsbewegung der Endeinwirkungseinrichtung durch eine zugeordnete Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtung auf die Bewegung der Hand abzubilden.
US 5 631 973 offenbart ein Telemanipulationssystem, wie z. B. in einem entfernten chirurgischen System, das einen Manipulator, eine Steuerung, eine Bildaufnahmeeinrichtung und eine Bildausgabeeinrichtung besitzt. Ein der Bildaufnahmeeinrichtung zugeordneter Positionssensor erfasst seine Position bezüglich der Endeinwirkungseinrichtung, wobei ein Prozessor das sichtbare Echtzeitbild in ein perspektivisches Bild mit korrelierter Manipulation der Endeinwirkungseinrichtung durch die Handsteuerung transformiert.
US 5 855 583 beschreibt ein System zum Ausführen minimal invasiver Herzprozeduren, das Endeinwirkungseinrichtungen an chirurgischen Instrumenten enthält, die an Roboterarmen angebracht sind, die durch eine Steuerung an ein Paar Haupt- bzw. Mastergriffe gekoppelt sind. Die Bewegung der Griffe wird skaliert, sodass die Endeinwirkungseinrichtungen eine andere, typischerweise kleinere, entsprechende Bewegung als die besitzen, die durch die Hände des Chirurgen ausgeführt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft verbesserte Telepräsenz- und Telechirurgie-Systeme, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt sind. Diese aktualisieren Koordinatentransformationen automatisch, um eine Korrelation zwischen der Bewegung einer Eingangseinrichtung und der Bewegung einer Endeinwirkungseinrichtung beizubehalten, wie sie angrenzend an die Eingangseinrichtung angezeigt wird. Die Erfindung bildet im Allgemeinen einen Steuerungsarbeitsraum (in dem sich die Eingangseinrichtung bewegt) mit einem Arbeitsraum der Endeinwirkungseinrichtung (in dem sich die Endeinwirkungseinrichtung bewegt) ab, und bewirkt die Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung in Reaktion auf die Bewegung der Eingangseinrichtung. Dies erlaubt die Verwendung kinematisch unähnlicher Master- und Slave-Verbindungen, die z. B. verschiedene Freiheitsgrade besitzen. Die Verwendung einer an die Verbindung der Endeinwirkungseinrichtung gekoppelten Bildaufnahmeeinrichtung erlaubt die automatische Berechnung der gewünschten Koordinatentransformationen der Abbildung. Die Abbildung des Schwenkens der Eingangseinrichtung auf das Schwenken der Backen der Endeinwirkungseinrichtung verbessert die Steuerung der Bedienungsperson, während die Verwendung von Zwischentransformationen erlaubt, dass Teile des kinematischen Zugs entfernt und ersetzt werden. Die Geschicklichkeit wird durch das genaue Verfolgen der Orientierung und der Winkel der Bewegung verbessert, selbst wenn die Abstände der linearen Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung nicht denjenigen der Eingangseinrichtung entsprechen.
Eine Ausführungsform kann ein chirurgisches Robotersystem schaffen, das eine Haupt- bzw. Mastersteuerung aufweist, die eine Eingangseinrichtung aufweist, die innerhalb eines Steuerungsarbeitsraumes beweglich ist. Eine Slave- bzw. Hilfseinrichtung kann eine chirurgische Endeinwirkungseinrichtung und einen Aktor haben, wobei der Aktor die Endeinwirkungseinrichtung in einem chirurgischen Arbeitsraum in Reaktion auf Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale bewegt. Ein Abbildungssystem kann eine Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Blickfeld enthalten, das in dem chirurgischen Arbeitsraum bewegbar ist. Das Abbildungssystem kann zustandsvariable Signale erzeugen, die das Blickfeld anzeigen. Ein Prozessor kann die Haupt- bzw. Mastersteuerung an den Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm ankoppeln. Der Prozessor kann die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale durch Kartographieren der Eingangseinrichtung in dem Steuerungsarbeitsraum gemäß einer Transformation erzeugen. Der Prozessor kann die Transformation in Reaktion auf die zustandsvariablen Signale des Abbildungssystems erhalten.
Der Prozessor erhält die Transformation im Allgemeinen so, dass ein Bild von der Endeinwirkungseinrichtung in der Anzeige im Wesentlichen angeschlossen an die Eingangseinrichtung in dem Steuerungsarbeitsraum erscheint. Der Prozessor kann eine Position und Orientierung der Eingangseinrichtung in dem Haupt- bzw. Mastersteuerungsraum von den von der Haupt- bzw. Mastersteuerung erzeugten zustandsvariablen Signalen bestimmen. Ähnlich bestimmt der Prozessor oft eine Position und Orientierung der Endeinwirkungseinrichtung in dem chirurgischen Arbeitsraum von den zustandsvariablen Signalen der Slave bzw. Hilfseinrichtung. Der Prozessor kann dann die Slave- bzw. Hilfseinrichtungssignale durch Vergleichen der Position und Orientierung in der Eingabeeinrichtung und der Endeinwirkungseinrichtung in dem kartographierten Raum erzeugen. Vorteilhaft erlaubt diese durchgehende Kartographierung die Verwendung sehr verschiedener kinematischer Züge für die Master- und Slave-Systeme, was spezialisierte Verbindungen, wie z. B. diejenigen, die in der minimal invasiven Chirurgie verwendet werden, im hohen Maße unterstützt.
In vielen Ausführungsformen sind die Slave- bzw. Hilfseinrichtung und das Abbildungssystem gekoppelt, um die Ableitung der Transformation durch den Prozessor aus den von diesen zwei Strukturen bereitgestellten zustandsvariablen Signalen zu unterstützen. Das Abbildungssystem kann z. B. eine Verbindung aufweisen, die die Bildaufnahmeeinrichtung beweglich trägt, wobei die Slave- bzw. Hilfseinrichtung außerdem eine Verbindung aufweisen kann, die die Endeinwirkungseinrichtung beweglich trägt. Die Verbindungen können Gelenke aufweisen, die Gelenkkonfigurationen aufweisen, die durch die zustandsvariablen Signale angezeigt werden. Die Verbindungen können in verschiedenen Arten gekoppelt sein, um die Ableitung der Transformation durch den Prozessor zu unterstützen. Die Kopplung der Slave- bzw. Hilfseinrichtung und der Abbildungssysteme kann mechanisch, elektromagnetisch (wie z. B. infrarot) oder dergleichen sein. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Verbindungen der Slave- bzw. Hilfseinrichtung und des Abbildungssystems an einer gemeinsamen Basis angebracht. Diese Basis kann einen fahrbaren Wagen für den Transport, eine an der Decke oder Wand angebrachte Struktur, einen Operationstisch oder dergleichen umfassen. Die zustandsvariablen Signale vom Abbildungssystem und/oder der Slave- bzw. Hilfseinrichtung müssen nicht notwendigerweise Verbindungskonfigurations- oder Positionssignale umfassen, da die Transformation stattdessen von magnetischen Sensoren (einschließlich denjenigen, die sowohl den Ort als auch die Orientierung zeigen können), aus der Bilderkennung abgeleiteten Informationen oder dergleichen abgeleitet werden können. Trotzdem leitet der Prozessor vorzugsweise die Transformation in Echtzeit ab, wobei dadurch eine verbesserte Geschicklichkeit während und nach der Bewegung der Bildaufnahmeeinrichtung, Änderungen der Zuordnung zwischen den Haupt- bzw. Mastereinrichtungen und den Slave- bzw. Hilfseinrichtungen, Werkzeugwechsel, die Neupositionierung entweder der Haupt- bzw. Mastereinrichtung oder der Slave- bzw. Hilfseinrichtung relativ zueinander oder dergleichen erlaubt werden.
Eine Ausführungsform kann außerdem ein chirurgisches Robotersystem schaffen, das eine Haupt- bzw. Mastersteuerung aufweist, die eine Eingangseinrichtung aufweist, die innerhalb eines Steuerungsarbeitsraumes beweglich ist. Eine Slavebzw. Hilfseinrichtung kann eine chirurgische Endeinwirkungseinrichtung und zumindest einen Aktor haben, der an die Endeinwirkungseinrichtung angekoppelt ist. Der Aktor kann die Endeinwirkungseinrichtung in einem chirurgischen Arbeitsraum in Reaktion auf Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale bewegen. Ein Abbildungssystem kann eine Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Blickfeld enthalten, das in dem chirurgischen Arbeitsraum bewegbar ist. Das Abbildungssystem überträgt ein Bild zu einer Anzeige. Ein Prozessor kann die Haupt- bzw. Mastersteuerung an den Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm ankoppeln. Der Prozessor kann die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale durch Kartographierung der Eingabeeinrichtung in dem Steuerungsarbeitsraum mit der Endeinwirkungseinrichtung in dem chirurgischen Arbeitsraum gemäß zu einer Transformation erzeugen. Der Prozessor kann die Transformation so erhalten, dass ein Bild der Endeinwirkungseinrichtung in der Anzeige im Wesentlichen verbunden mit der Eingabeeinrichtung in dem Arbeitsraum erscheint.
Oftmals weist die Haupt- bzw. Mastersteuerung eine Verbindung auf, die die Eingabeeinrichtung trägt, während die Slave- bzw. Hilfseinrichtung eine Verbindung aufweist, die die Endeinwirkungseinrichtung trägt, wobei die Master- bzw. Hauptverbindung und die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsverbindung kinematisch unähnlich sind. Spezifischer haben die Gelenke der Haupt- bzw. Masterverbindung und Gelenke der Slave- bzw. Hilfseinrichtungsverbindung verschiedene Freiheitsgrade und/oder definieren verschiedene Orte in dem kartographierten Raum. Die durchgehende Kartographierung der Eingangseinrichtung und der Endeinwirkungseinrichtung erlaubt dem Prozessor ungeachtet dieser kinematischen Unähnlichkeiten, die in spezialisierten Slave-Mechanismen, wie z. B. diejenigen, die in der minimal invasiven Roboterchirurgie verwendet werden, ganz ausgeprägt sein können, die gewünschten Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale genau zu erzeugen.
In der beispielhaften Ausführungsform leitet der Prozessor die Transformation unter Verwendung eines Zwischen-Bezugssystems indirekt ab, das sich an einer abnehmbaren Verbindung entlang einer Verbindung befindet, die die Haupt- bzw. Mastereinrichtung, die Endeinwirkungseinrichtung und/oder die Bildaufnahmeein richtung trägt. Diese indirekte Berechnung der Transformation unterstützt die Ersetzung oder die Modifikation eines Teils des Untersystems signifikant.
Die der System-Bedienungspersonen dargestellte wesentliche Verbindung zwischen der Eingangseinrichtung und der Endeinwirkungseinrichtung kann verbessert werden, indem nicht visuelle sensorische Informationen zur Bedienungsperson gelenkt werden, die dem Bild auf der Anzeige entsprechen. Die nicht visuellen Informationen geben vorzugsweise die Kraft und/oder das Drehmoment an, die bzw. das auf die Slave- bzw. Hilfseinrichtung ausgeübt wird. Während die Informationen in verschiedenen Formen dargestellt werden können, einschließlich Ton, Wärme, Geruch oder dergleichen, liegen die nicht visuellen Informationen vorzugsweise in der Form von Lasten, Kräften und/oder Drehmomenten vor, die über die Eingangseinrichtung auf die Hand der Bedienungsperson ausgeübt werden, im Idealfall mit Orientierungen, die im Wesentlichen den Orientierungen der Kräfte und Drehmomente entsprechen, die auf die Slave- bzw. Hilfseinrichtung ausgeübt werden (entsprechend dem in der Anzeige gezeigten Bild der Slave- bzw. Hilfseinrichtung). Wie oben hinsichtlich der Bewegung beschrieben worden ist, kann die Korrelation zwischen den Orientierungen und Drehmomenten in der Eingangseinrichtung in der Slave- bzw. Hilfseinrichtung durch die Steuerung unter Verwendung der durchgehenden Kartographierung überprüft werden (oft wenn die Transformationen überprüft wird). Optional geben die der Bedienungsperson dargestellten Kraft- und Drehmomentinformationen Kontaktinformationen (z. B. den Eingriff zwischen einer Endeinwirkungseinrichtung und einem Gewebe), Störungsinformationen (z. B. wenn sich ein Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm mit einem weiteren Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm außerhalb eines Patientenkörpers im Eingriff befindet) und/oder synthetische Informationen (einschließlich Beschränkungen an die Bewegungen oder "virtuelle Wände", die in einem simulierten Bereich berechnet werden, um die Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung in eine eingeschränkte Richtung zu verhindern) an. Folglich können die Kraft- und Drehmomentinformationen aus den Slave- bzw. Hilfseinrichtungsmotorsignalen, den Sensoren (einschließlich Kraftsensoren, Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Geschwindigkeitssensoren oder dergleichen), einer Simulation (einschließlich berechneter Beschränkungen) und anderen Quellen abgeleitet werden.
Eine Ausführungsform kann außerdem ein chirurgisches Robotersystem schaffen, das eine Haupt- bzw. Mastersteuerung umfasst, die eine Eingangseinrichtung besitzt, die durch eine Verbindung getragen wird, sodass sich die Eingangsein richtung in einem Steuerungsarbeitsraum mit einer ersten Anzahl von Freiheitsgraden bewegen kann. Eine Slave- bzw. Hilfseinrichtung kann eine chirurgische Endeinwirkungseinrichtung und mehrere an sie gekoppelte Aktoren besitzen, sodass sich die Endeinwirkungseinrichtung in einem chirurgischen Arbeitsraum mit einer zweiten Anzahl von Freiheitsgraden in Reaktion auf die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale bewegen kann, wobei die zweite Anzahl kleiner als die erste Anzahl ist. Ein Prozessor kann die Haupt- bzw. Mastersteuerung an die Slave- bzw. Hilfseinrichtung koppeln. Der Prozessor kann die Slave- bzw. Hilfseinrichtungs-Aktorsignale durch Kartographierung der Eingangseinrichtung in den Steuerungsarbeitsraum mit der Endeinwirkungseinrichtung im chirurgischen Arbeitsraum erzeugen. Dies erlaubt z. B. die Verwendung von Haupt- bzw. Mastereinrichtungen, die wenigstens einen redundanten Freiheitsgrad besitzen, oder die Verwendung einer Haupt- bzw. Masterenrichtung mit vollen sechs Freiheitsgraden, wobei eine Slave- bzw. Hilfseinrichtung eine eingeschränktere Bewegungsfähigkeit besitzt. Derartige Haupt- bzw. Mastereinrichtungen können einem Chirurgen einen weiten Bewegungsbereich geben, ohne die Konstruktion, Größe, Komplexität und/oder die Auswechselbarkeit der Endeinwirkungseinrichtungen einzuschränken.
Eine Ausführungsform kann außerdem ein chirurgisches Robotersystem schaffen, das eine Haupt- bzw. Mastersteuerung mit einer Eingangseinrichtung umfasst, die in einem Steuerungsarbeitsraum beweglich ist. Eine Slave- bzw. Hilfseinrichtung kann einen Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm und ein erstes Werkzeug, das ablösbar an dem Arm angebracht werden kann, umfassen. Das erste Werkzeug kann eine erste Endeinwirkungseinrichtung besitzen, die sich in einem chirurgischen Arbeitsraum in Reaktion auf die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale bewegt. Ein zweites Werkzeug kann anstelle des ersten Werkzeugs ablösbar an der Slave- bzw. Hilfseinrichtung angebracht sein. Das zweite Werkzeug kann eine zweite Endeinwirkungseinrichtung besitzen, die im chirurgischen Arbeitsraum in Reaktion auf die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale beweglich ist. Das zweite Werkzeug kann zum ersten Werkzeug kinematisch unähnlich sein. Der Prozessor kann die Haupt- bzw. Mastersteuerung an den Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm koppeln. Der Prozessor kann die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale durch Kartographierung der Eingangseinrichtung im Steuerungsarbeitsraum mit der Endeinwirkungseinrichtung des angebrachten Werkzeugs im chirurgischen Arbeitsraum erzeugen.
Die Eingabeeinrichtung kann einen Griffsensor haben, um mit einer Hand einer Bedienungsperson gedrückt bzw. gequetscht zu werden. Der Griffsensor definiert eine Griffschwenkung bzw. -drehung. Der Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm kann eine durch eine Verbindung getragene Endeinwirkungseinrichtung haben, sodass die Endeinwirkungseinrichtung in einem Endeinwirkungseinrichtungs-Arbeitsraum beweglich ist. Der Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm kann Aktoren haben, die an die Verbindung angekoppelt sind, um die Endeinwirkungseinrichtung in Reaktion auf Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale zu bewegen. Die Endeinwirkungseinrichtung kann Backen bzw. Klemmbacken mit einem Backen- bzw. Klemmbackendreh- bzw. Schwenkgelenk haben. Eine Bildaufnahmeeinrichtung kann ein Blickfeld innerhalb des Endeinwirkungseinrichtungsarbeitsraums besitzen und ein Bild zu einer Anzeige übertragen. Ein Prozessor kann die Haupt- bzw. Mastersteuerung an den Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm koppeln, wobei der Prozessor die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale in Reaktion auf die Bewegung der Eingangseinrichtung erzeugt, sodass die Backen- bzw. Klemmbackendreh- bzw. Schwenkgelenke in der Anzeige im Wesentlichen mit der Griffdrehung bzw. -schwenkung verbunden erscheinen.
Die Eingangseinrichtung kann mit mehreren Freiheitsgraden in einem Haupt- bzw. Mastersteuerungsraum beweglich sein. Die Bewegung der Eingangseinrichtung kann wenigstens einen Winkel definieren, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine Änderung der winkelmäßigen Orientierung und einen Winkel der Translation umfasst. Ein Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm kann eine Endeinwirkungseinrichtung besitzen, die durch eine Verbindung mit mehreren Gelenken getragen wird, sodass die Slave- bzw. Hilfseinrichtung im Arbeitsraum der Endeinwirkungseinrichtung beweglich ist. Der Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm kann Aktoren besitzen, die an die Gelenke gekoppelt sind, um die Endeinwirkungseinrichtung in Reaktion auf die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale zu bewegen. Eine Bildaufnahmeeinrichtung überträgt ein Bild an eine an die Haupt- bzw. Mastersteuerung angrenzende Anzeige. Ein Prozessor kann die Haupt- bzw. Mastersteuerung an den Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm koppeln. Der Prozessor kann die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale in Reaktion auf die Bewegung der Eingangseinrichtung so erzeugen, dass zumindest ein Winkel, der von der Gruppe ausgewählt wird, die eine Änderung der winkelmäßigen Orientierung und einen Winkel der Translation der Endeinwirkungseinrichtung umfasst, innerhalb von fünf Grad des zumindest einen Winkels der Eingabeeinrichtung verbleibt. Vorteilhaft kann eine derartige winkelmäßige Genauigkeit die wesentliche Verbundenheit der Eingangseinrichtung und der Endeinwirkungseinrichtung ungeachtet signifikanter Unterschiede in den durch die System-Bedienungsperson wahrgenommenen Bewegungsabständen verbessern.
Es wird ein chirurgisches Roboterverfahren erwartet, das das Bewegen einer Haupt- bzw. Mastereingangseinrichtung in einem Steuerungsarbeitsraum durch das gelenkige Anbringen mehrerer Haupt- bzw. Mastergelenke umfasst. Eine chirurgische Endeinwirkungseinrichtung kann in einem chirurgischen Arbeitsraum durch das gelenkige Anbringen mehrerer Slave- bzw. Hilfseinrichtungsgelenke in Reaktion auf Slave- bzw. Hilfseinrichtungsmotorsignale bewegt werden. Ein Bild eines beliebigen Blickfeldes innerhalb des chirurgischen Arbeitsraumes kann auf einer an die Haupt- bzw. Mastersteuerung angrenzenden Anzeige angezeigt werden. Die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsmotorsignale können in Reaktion auf die Bewegung der Haupt- bzw. Mastereinrichtung automatisch erzeugt werden, sodass ein Bild der Endeinwirkungseinrichtung in der Anzeige im Wesentlichen mit der Eingangseinrichtung im Haupt- bzw. Mastersteuerungsraum verbunden erscheint.
Eine Ausführungsform kann ein chirurgisches Robotersystem schaffen, das eine Haupt- bzw. Mastersteuerung umfasst, die eine Eingangseinrichtung besitzt, die in einem Haupt- bzw. Mastersteuerungsraum beweglich ist. Die Eingabeeinrichtung kann erste und zweite Griffabschnitte enthalten, um mit ersten und zweiten Finger einer Hand eines Bedieners in Wechselbeziehung zu treten. Die Slave- bzw. Hilfseinrichtung kann eine chirurgische Endeinwirkungseinrichtung aufweisen, die sich in Reaktion auf die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale im chirurgischen Arbeitsraum bewegt. Die Endeinwirkungseinrichtung kann erste und zweite Endeinwirkungseinrichtungselemente enthalten. Ein Prozessor kann die Haupt- bzw. Mastereinrichtung an die Slave- bzw. Hilfseinrichtung koppeln. Der Prozessor kann die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale so erzeugen, dass eine Bewegung des ersten Griffabschnitts im Wesentlichen eine Bewegung des ersten Endeinwirkungseinrichtungselements kartographiert, und sodass die Bewegung des zweiten Endeinwirkungseinrichtungselements im Wesentlichen die Bewegung des zweiten Endeinwirkungseinrichtungselements kartographiert.
Die in der Anzeige gezeigten Griffabschnitte und Endeinwirkungseinrichtungselemente können optional im Wesentlichen an den schwenkbaren Gelenken zwischen den Griffabschnitten und den Endeinwirkungseinrichtungselementen verbunden sein. Alternativ kann der Punkt der wesentlichen Verbundenheit an Mittelpunkten zwischen den Spitzen der Griffabschnitte und den Endeinwirkungseinrichtungselementen angeordnet sein, insbesondere wenn Werkzeuge mit relativ langen Längen der Endeinwirkungseinrichtungselemente zwischen dem Drehpunkt und der Spitze verwendet werden.
Eine Ausführungsform kann ein chirurgisches Robotersystem schaffen, das eine Haupt- bzw. Mastersteuerung umfasst, die einen chirurgischen Griff hat, der durch mehrere Gelenke getragen wird, sodass der Griff in einem Haupt- bzw. Mastersteuerungsraum beweglich ist. Die Gelenke können einen Kardanpunkt der Drehung um mehrere Achsen definieren, wobei sich der Griff angrenzend an den Kardanpunkt befinden kann. Eine Slave- bzw. Hilfseinrichtung kann eine chirurgische Endeinwirkungseinrichtung besitzen, die sich in Reaktion auf die Bewegung des Griffs in einem chirurgischen Arbeitsraum bewegt. Dies kann die Trägheit des Haupt- bzw. Mastersystems verringern, wenn der Chirurg die Orientierung ändert, insbesondere wenn der Griff im Wesentlichen mit dem Kardanpunkt zusammenfällt. Oftmals koppelt ein Prozessor die Haupt- bzw. Mastereinrichtung an die Slave- bzw. Hilfseinrichtung, wobei er die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale erzeugt, sodass der Kardanpunkt der Haupt- bzw. Mastereinrichtung im Wesentlichen mit einem letzten Gelenk der an die Endeinwirkungseinrichtung angrenzenden Slave- bzw. Hilfseinrichtung verbunden ist.
Eine Ausführungsform kann ein chirurgisches Robotersystem schaffen, das eine Haupt- bzw. Mastersteuerung umfasst, die einen Griff besitzt, der sich in einem Haupt- bzw. Mastersteuerungsarbeitsraum bewegt. Eine Slave- bzw. Hilfseinrichtung kann eine chirurgische Endeinwirkungseinrichtung tragen und die Endeinwirkungseinrichtung innerhalb eines chirurgischen Arbeitsraumes in Reaktion auf die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsbetätigungssignale bewegen. Ein Prozessor kann die Haupt- bzw. Mastereinrichtung an die Slave- bzw. Hilfseinrichtung koppeln. Der Prozessor kann die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsbetätigungssignale erzeugen, sodass eine Bewegung eines kartographierten Punktes entlang dem Griff der Haupt- bzw. Mastersteuerung im Wesentlichen eine Bewegung eines Kartographierungspunktes entlang der Endeinwirkungseinrichtung kartographiert. Der Prozessor kann dazu in der Lage sein, zumindest einen von dem Griffkartographierungspunkt und dem Kartographierungspunkt der Endeinwirkungseinrichtung zu ändern.
Im Allgemeinen können die Aktoren verschiedene Motoren (einschließlich elektrischer, hydraulischer, pneumatischer und dergleichen) umfassen. In anderen Aus führungsformen können die Aktoren Bremsen, Kupplungen, schwingende Vorrichtungen, die sich periodisch wiederholende Lasten unter Verwendung von Trägheit anwenden, oder dergleichen umfassen. Es können noch andere Aktoren verwendet werden, insbesondere diejenigen, die eine Tastsimulation in der Form von Wärme oder dergleichen bereitstellen. Die Werkzeuge der vorliegenden Erfindung können verschiedene chirurgische Werkzeuge und/oder Endeinwirkungseinrichtungen enthalten, einschließlich Pinzetten, Klemmen, Klammern, Scheren, elektrochirurgischer und mechanischer Skalpelle und dergleichen. Noch weitere Endeinwirkungseinrichtungen können Spülung, Absaugung oder Saugen, Luftstrahlen, Lampen und/oder Abbildungsvorrichtungen bereitstellen. Es können außerdem allgemeine Robotersysteme (analog zu denjenigen, die oben beschriebenen worden sind) und sowohl allgemeine als auch chirurgische Roboterverfahren geschaffen werden.
Während diese Systeme, Verfahren und Vorrichtungen für die Roboterchirurgie besonders vorteilhaft sind, umfasst die vorliegende Erfindung außerdem ähnliche Robotersysteme, -verfahren und -vorrichtungen für die Telemanipulation und Telepräsenz in anderen Gebieten und für allgemeine Roboteranwendungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung wird nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung beschrieben, worin:
1A eine dreidimensionale Ansicht einer Station einer Bedienungsperson eines telechirurgischen Systems gemäß der Erfindung zeigt;
1B eine dreidimensionale Ansicht eines Wagens oder einer chirurgischen Station des telechirurgischen Systems zeigt, wobei der Wagen drei robotisch gesteuerte Arme trägt und die Bewegung der Arme von der in 1A gezeigten Station einer Bedienungsperson fernsteuerbar ist;
2A eine Seitenansicht eines Roboterarms und der chirurgischen Instrumentenbaugruppe zeigt;
2B eine dreidimensionale Ansicht zeigt, die 2A entspricht;
3 eine dreidimensionale Ansicht eines chirurgischen Instruments zeigt;
4 eine schematische kinematische graphische Darstellung zeigt, die der in 2A gezeigten Seitenansicht des Roboterarms entspricht, und die den Arm anzeigt, der aus einer Position eine weitere Position verschoben worden ist;
5 in einem vergrößerten Maßstab ein Handgelenkelement und eine Endeinwirkungseinrichtung des in 3 gezeigten chirurgischen Elements zeigt, wobei das Handgelenkelement und die Endeinwirkungseinrichtung beweglich an einem Arbeitsende eines Schaftes des chirurgischen Instruments angebracht sind;
6A eine dreidimensionale Ansicht eines Handteils oder Handgelenk-Kardans einer Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtung des telechirurgischen Systems zeigt;
6B eine dreidimensionale Ansicht eines gelenkigen Armabschnitts der Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtung des telechirurgischen Systems zeigt, an dem der Handgelenk-Kardan nach 6A in Gebrauch angebracht ist;
6C eine dreidimensionale Ansicht der Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtung zeigt, die den Handgelenk-Kardan nach 6A am gelenkigen Armabschnitt nach 6B angebracht zeigt;
7 eine schematische dreidimensionale Zeichnung zeigt, die die Positionen der Endeinwirkungseinrichtungen bezüglich eines Betrachtungsendes eines Endoskops und die entsprechenden Positionen der Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtungen bezüglich der Augen einer Bedienungsperson, typischerweise eines Chirurgen, angibt;
8 eine schematische dreidimensionale Zeichnung zeigt, die die Position und die Orientierung einer Endeinwirkungseinrichtung bezüglich eines kartesischen Koordinatensystems der Kamera angibt;
9 eine schematische dreidimensionale Zeichnung zeigt, die die Position und die Orientierung einer Kneiferformation der Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtung bezüglich eines kartesischen Koordinatensystems des Auges angibt;
10 eine schematische Seitenansicht eines Teils der chirurgischen Station der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie zeigt, die den Ort der kartesischen Koordinatensysteme angibt, die durch ein Steuersystem der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie verwendet werden, um die Position und die Orientierung einer Endeinwirkungseinrichtung bezüglich eines kartesischen Koordinatensystems am Betrachtungsende einer Bildaufnahmeeinrichtung zu bestimmen;
11 eine schematische Seitenansicht des Teils der Station der Bedienungsperson der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie zeigt, die den Ort der kartesischen Koordinatensysteme angibt, die durch das Steuersystem der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie verwendet werden, um die Position und die Orientierung der Kneiferformation der Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtung bezüglich eines kartesischen Koordinatensystems des Auges zu bestimmen;
11A–C entsprechende Kartographierungsorte auf der Hand des Chirurgen, auf der Haupt- bzw. Mastersteuerung und auf der Endeinwirkungseinrichtung und die Verfahren für ihre Auswahl schematisch veranschaulichen;
12 ein Modell der Steuerarchitektur auf hoher Ebene eines chirurgischen Master-/Slave-Robotersystems schematisch veranschaulicht;
12A einen schematischen Blockschaltplan zeigt, der die Schritte angibt, denen das Steuersystem der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie beim Bestimmen der Endeinwirkungseinrichtungsposition und -Orientierung bezüglich des kartesischen Koordinatensystems am Betrachtungsende der Bildaufnahmeeinrichtung folgt;
13 einen schematischen Blockschaltplan zeigt, der die Schritte angibt, denen das Steuersystem der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie beim Bestimmen der Position und der Orientierung der Kneiferformation bezüglich des kartesischen Koordinatensystems des Auges folgt;
14 einen Blockschaltplan zeigt, der die Steuerschritte darstellt, denen das Steuersystem der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie beim Ausführen der Steuerung zwischen der Positions- und Orientierungsbewegung der Kneiferformation und der Positions- und Orientierungsbewegung der Endeinwirkungseinrichtung folgt;
15 weitere Einzelheiten eines "simulierten Bereichs" 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 einen Blockschaltplan zeigt, der die Auferlegung der simulierten Geschwindigkeits- und Positionsgrenzen angibt;
20 eine bevorzugte Ausführungsform des in 15 gezeigten Simulationsblocks zeigt; und
21 einen Blockschaltplan zeigt, der die Auferlegung der simulierten Geschwindigkeits- und Positionsgrenzen bezüglich der Orientierungsbewegung der Slavebzw. Hilfseinrichtung angibt.
BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Diese Anwendung steht mit den folgenden Patenten und Patentanmeldungen in Beziehung: der internationalen PCT-Anmeldung Nr. PCT/US98/19508 mit dem Titel "Robotic Apparatus", eingereicht am 18. September 1998, der US-Anmeldung, Aktenzeichen 60/111.713, mit dem Titel "Surgical Robotic Tools, Data Architecture, and Use", eingereicht am 8. Dezember 1998; der US-Anmeldung, Aktenzeichen 60/111.711, mit dem Titel "Image Shifting for a Telerobotic System", eingereicht am 8. Dezember 1998; der US-Anmeldung, Aktenzeichen 60/111.714, mit dem Titel "Stereo Viewer System for Use in Telerobotic System", eingereicht am 8. Dezember 1998; der US-Anmeldung, Aktenzeichen 60/111.710, mit dem Titel "Master Having Redundant Degrees of Freedom", eingereicht am 8. Dezember 1998, der US-Anmeldung, Aktenzeichen 60/116.891, mit dem Titel "Dynamic Association of Master and Slave in a Minimally Invasive Telesurgery System", eingereicht am 22. Januar 1999; und dem US-Patent, Nr. 5.808.665, mit dem Titel "Endoscopic Surgical Instrument and Method for Use", erteilt am 15. September 1998.
Wie es hierin verwendet wird, erscheinen Objekte (und/oder Bilder) "im Wesentlichen verbunden", falls eine Richtung einer inkrementalen Positionsbewegung eines ersten Objekts mit der Richtung einer inkrementalen Positionsbewegung des zweiten Objekts (wie sie oft in einem Bild gesehen wird) übereinstimmt. Die übereinstimmenden Richtungen müssen nicht exakt gleich sein, da die Objekte (oder das Objekt und das Bild) als verbunden wahrgenommen werden können, falls die Winkelabweichung zwischen den Bewegungen kleiner als etwa zehn Grad bleibt, vorzugsweise kleiner als etwa fünf Grad ist. Ähnlich können Objekte und/oder Bilder als "im Wesentlichen und orientierungsmäßig" verbunden wahrgenommen werden, falls sie im Wesentlichen verbunden sind und falls die Richtung einer inkrementalen Orientierungsbewegung des ersten Objekts der Richtung einer inkrementalen Orientierungsbewegung des zweiten Objekts (wie sie oft in einem in der Nähe des ersten Objekts angezeigten Bild gesehen wird) entspricht.
Es können zusätzliche Ebenen der Verbundenheit vorgesehen sein, müssen aber nicht. Die "Verbindung der Größe" gibt die wesentliche Verbindung an, und dass die Größe der Orientierungs- und/oder Positionsbewegungen des ersten Objekts und des zweiten Objekts (typischerweise wie sie in einem Bild gesehen werden) direkt in Beziehung stehen. Die Größen müssen nicht gleich sein, sodass es möglich ist, die Skalierung und/oder die Verwindung innerhalb eines im Wesentlichen in der Größe verbundenen Robotersystems aufzunehmen. Die Verbindung der Orientierungsgröße wird sowohl die wesentliche Verbindung und die orientierungsmäßige Verbindung als auch die in Beziehung stehende Größe der Orientierungsbewegung beinhalten, während die wesentliche Verbindung und die Verbindung der Größe die wesentliche Verbindung bedeutet, wobei die Positionsgrößen in Beziehung stehen.
Wie ein erstes Objekt hierin verwendet wird, erscheint es absolut positionsmäßig mit einem Bild eines zweiten Objekts verbunden, falls die Objekte wesentlich verbunden sind, wobei die Position des ersten Objekts und die Position des Bildes des zweiten Objekts als übereinstimmend erscheinen, d. h., dass sie sich während der Bewegung am selben Ort befinden. Ein erstes Objekt erscheint mit einem Bild des zweiten Objekts absolut orientierungsmäßig verbunden, falls sie wesentlich verbunden sind und die Orientierung des ersten Objekts und des zweiten Objekts während der Bewegung als übereinstimmend erscheinen.
In 1A der Zeichnung ist die Station einer Bildungsperson oder der Bedienungsplatz des Chirurgen eines minimal invasiven telechirurgischen Systems im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 200 angegeben. Die Station 200 enthält eine Betrachtungseinrichtung 202, auf der in Gebrauch das Bild einer Operationsstelle angezeigt wird. Es ist ein Träger 204 vorgesehen, auf dem eine Bedienungsperson, typischerweise ein Chirurg oder eine Chirurgin, seine bzw. ihre Unterarme stützen kann, während er bzw. sie die (in 1A nicht gezeigten) zwei Haupt- bzw. Mastersteuerungen, eine in jeder Hand, ergreift. Die Haupt- bzw. Mastersteuerungen sind in einem Raum 202 im Inneren jenseits des Trägers 204 positioniert. Wenn der Chirurg oder die Chirurgin die Steuerstation 200 verwendet, sitzt er bzw. sie typischerweise auf einem Stuhl vor der Steuerstation 200, positioniert seine bzw. ihre Augen vor der Betrachtungseinrichtung 202 und ergreift die Haupt- bzw. Mastersteuerungen, eine in jeder Hand, während seine bzw. ihre Unterarme auf dem Träger 204 ruhen.
In 1B der Zeichnung ist ein Wagen oder eine chirurgische Station des telechirurgischen Systems im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 300 angegeben. In Gebrauch ist der Wagen 300 dicht an einem Patienten positioniert, der den operativen Eingriff benötigt, wobei dann normalerweise verursacht wird, dass er stationär bleibt, bis die auszuführende chirurgische Prozedur abgeschlossen worden ist. Der Wagen 300 besitzt typischerweise Räder oder Laufrollen, um ihn mobil zu machen. Die Station 200 ist typischerweise entfernt vom Wagen 300 positioniert, wobei sie vom Wagen 300 durch einen großen Abstand getrennt sein kann, sogar Meilen entfernt sein kann, wobei sie aber typischerweise innerhalb eines Operationssaals mit dem Wagen 300 verwendet wird.
Der Wagen 300 trägt typischerweise drei Roboterarmbaugruppen. Eine der Roboterarmbaugruppen, die durch das Bezugszeichen 302 angegeben ist, ist beschaffen, um eine Bildaufnahmeeinrichtung 304, z. B. ein Endoskop oder dergleichen, zu halten. Jede der zwei anderen Armbaugruppen 10, 10 enthält jeweils ein chirurgisches Instrument 14. Das Endoskop 304 besitzt ein Betrachtungsende 306 am entfernten Ende eines längs erstreckten Schaftes. Es ist klar, dass das Endoskop 304 einen längs erstreckten Schaft besitzt, um zu erlauben, dass sein Betrachtungsende 306 durch eine Eintrittsöffnung in eine interne Operationsstelle des Körpers eines Patienten eingeführt wird. Das Endoskop 304 ist betriebsmäßig mit der Betrachtungseinrichtung 202 verbunden, um ein an seinem Betrachtungsende 306 aufgenommenes Bild auf der Betrachtungseinrichtung 202 anzuzeigen. Jede der Roboterarmbaugruppen 10, 10 ist normalerweise betriebsmäßig mit einer der Haupt- bzw. Mastersteuerungen verbunden. Folglich wird die Bewegung der Roboterarmbaugruppen 10, 10 durch Manipulation der Haupt- bzw. Mastersteuerungen gesteuert. Die Instrumente 14 der Roboterarmbaugruppen 10, 10 besitzen Endeinwirkungseinrichtungen, die an den Handgelenkelementen angebracht sind, die schwenkbar an den distalen Enden der längs erstreckten Schäfte der Instrumente 14 angebracht sind, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist. Es ist klar, dass die Instrumente 14 längs erstreckte Schäfte besitzen, um zu erlauben, dass die Endeinwirkungseinrichtungen durch Eintrittsöffnungen in die interne Operationsstelle des Körpers eines Patienten eingeführt werden. Die Bewegung der Endeinwirkungseinrichtungen bezüglich den Enden der Schäfte der Instrumente 14 wird außerdem durch die Haupt- bzw. Mastersteuerungen gesteuert.
Die Roboterarme 10, 10, 302 sind mittels der Gerätegelenkarme 95 an einem Wagen 97 angebracht. Der Wagen 97 kann selektiv eingestellt werden, um seine Höhe bezüglich einer Basis 99 des Wagens 300 zu verändern, wie durch die Pfeile K angegeben ist. Die Gerätegelenkarme 95 sind beschaffen, um zu ermöglichen, dass die seitlichen Positionen und Orientierungen der Arme 10, 10, 302 bezüglich einer sich vertikal erstreckenden Säule 93 des Wagens 300 verändert werden. Demzufolge können die Positionen, Orientierungen und Höhen der Arme 10, 10, 302 eingestellt werden, um den Durchgang der längs erstreckten Schäfte der Instrumente 14 und des Endoskops 304 durch die Eintrittsöffnungen zu den gewünschten Positionen bezüglich der Operationsstelle zu unterstützen. Wenn die chirurgischen Instrumente 14 und das Endoskop 304 so positioniert sind, werden die Gerätegelenkarme 95 und der Wagen 97 typischerweise in der Position verriegelt.
In den 2A und 2B der Zeichnung ist eine der Roboterarmbaugruppen 10 ausführlicher gezeigt. Jede Baugruppe 10 enthält einen gelenkigen Roboterarm 12 und ein chirurgisches Instrument, das schematisch und im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 14 angegeben ist, die an ihm angebracht sind. 3 gibt das allgemeine Aussehen des chirurgischen Instruments 14 ausführlicher an.
Das chirurgische Instrument 14 enthält einen längs erstreckten Schaft 14.1. Der handgelenkartige Mechanismus, der im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 50 angegeben ist, befindet sich am Arbeitsende des Schaftes 14.1. Ein Gehäuse 53, das lösbar angeordnet ist, um das Instrument 14 an den Roboterarm 12 zu koppeln, befindet sich an einem entgegengesetzten Ende des Schaftes 14.1. In 2A erstreckt sich der Schaft 14.1, wenn das Instrument 14 an den Roboterarm 12 gekoppelt oder angebracht ist, längs einer bei 14.2 angegebenen Achse. Das Instrument 14 ist typischerweise lösbar an einem Wagen 11 angebracht, der angetrieben werden kann, um längs einer linearen Führungsformation 24 des Arms 12 in der Richtung der Pfeile P verschoben zu werden.
Der Roboterarm 12 ist typischerweise mittels eines Halters oder einer Grundplatte 16 an einer Basis oder Plattform an einem Ende seines zugeordneten Gerätegelenkarms 95 angebracht.
Der Roboterarm 12 enthält einen Schlitten, der im Allgemeinen bei 18 angegeben ist, einen Oberarmabschnitt 20, einen Unterarmabschnitt 22 und die Führungsformation 24. Der Schlitten 18 ist schwenkbar an der Platte 16 in einer kardanischen Weise angebracht, um die schwingende Bewegung des Schlittens 18 in der Richtung der Pfeile 26, wie in 2B gezeigt ist, um eine Schwenkachse 28 zu erlauben. Der Oberarmabschnitt 20 enthält die Verbindungselemente 30, 32, während der Unterarmabschnitt 22 die Verbindungselemente 34, 36 enthält. Die Verbindungselemente 30, 32 sind am Schlitten 18 schwenkbar angebracht, wobei sie mit den Verbindungselementen 34, 36 schwenkbar verbunden sind. Die Verbindungselemente 34, 34 sind mit der Führungsformation 24 schwenkbar verbunden. Die Schwenkverbindungen zwischen den Verbindungselementen 30, 32, 34, 36, dem Schlitten 18 und der Führungsformation 24 sind beschaffen, um den Roboterarm 12 einzuschränken, damit er sich in einer spezifischen Weise bewegt. Die Bewegung des Roboterarms 12 ist in 4 schematisch veranschaulicht.
In 4 geben die ausgezogenen Linien schematisch eine Position des Roboterarms an, während die gestrichelten Linien eine weitere mögliche Position angeben, in die der Arm aus der mit den ausgezogenen Linien angegebenen Position verschoben werden kann.
Es ist selbstverständlich, dass die Achse 14.2, längs der sich der Schaft 14.1 des Instruments 14 erstreckt, wenn es am Roboterarm 12 angebracht ist, um einen Schwenkmittelpunkt oder Drehpunkt 49 schwenkt. Folglich verbleibt ungeachtet der Bewegung des Roboterarms 12 der Schwenkmittelpunkt 49 normalerweise in derselben Position bezüglich des stationären Wagens 300, an dem der Arm 12 angebracht ist. In Gebrauch ist der Schwenkmittelpunkt 49 an einer Eintrittsöffnung in den Körper eines Patienten positioniert, wenn eine interne chirurgische Prozedur auszuführen ist. Es ist klar, dass sich der Schaft 14.1 durch eine derartige Eintrittsöffnung erstreckt, wobei der handgelenkartige Mechanismus 50 dann innerhalb des Körpers des Patienten positioniert ist. Folglich kann die allgemeine Position des Mechanismus 50 bezüglich der Operationsstelle im Körper eines Patienten durch die Bewegung des Arms 12 geändert werden. Weil der Schwenkmittelpunkt 49 mit der Eintrittsöffnung übereinstimmt, beeinflusst eine derartige Bewegung des Arms das umgebende Gewebe an der Eintrittsöffnung nicht übermäßig.
Wie in 4 am besten gesehen werden kann, stellt der Roboterarm 12 drei Freiheitsgrade der Bewegung des chirurgischen Instruments 14 bereit, wenn es an ihm angebracht ist. Diese Freiheitsgrade der Bewegung sind als Erstes die kardanische Bewegung, die durch die Pfeile 26 angegeben ist, die Schwenk- oder Schwankbewegung, wie durch die Pfeile 27 angegeben ist, und die lineare Verschiebung in der Richtung der Pfeile P. Die Bewegung des Arms, wie sie durch die Pfeile 26, 27 und P angegeben ist, wird durch geeignet positionierte Aktoren gesteuert, z. B. Elektromotoren oder dergleichen, die auf die Eingaben von ihrer zugeordneten Haupt- bzw. Mastersteuerung reagieren, um den Arm 12 in eine gewünschte Position zu lenken, wie durch die Bewegung der Haupt- bzw. Mastersteuerung vorgeschrieben wird. Geeignet positionierte Sensoren, z. B. Potentiometer, Codierer oder dergleichen, sind an dem Arm und seinem zugeordneten Gerätegelenkarm 95 vorgesehen, um einem Steuersystem des minimal invasiven telechirurgischen Systems zu ermöglichen, die Gelenkpositionen zu bestimmen, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist. Es ist klar, dass, wann immer in dieser Beschreibung auf "Sensoren" Bezug genommen wird, der Begriff umfassend zu interpretieren ist, um alle geeigneten Sensoren, wie z. B. Positionssensoren, Geschwindigkeitssensoren oder dergleichen, einzuschließen. Es ist klar, dass die allgemeine Position des handgelenkartigen Mechanismus 50 an der Operationsstelle während der Ausführung einer chirurgischen Prozedur verändert werden kann, indem der Roboterarm 12 veranlasst wird, sich selektiv von einer Position in eine weitere zu verschieben.
Unter Bezugnahme auf 5 der Zeichnung wird nun der handgelenkartige Mechanismus 50 ausführlicher beschrieben. In 5 ist das Arbeitsende des Schaftes 14.1 bei 14.3 angegeben. Der handgelenkartige Mechanismus 50 enthält ein Handgelenkelement 52. Ein Endabschnitt des Handgelenkelements 52 ist in einem U-förmigen Zughaken, der im Allgemeinen bei 17 angegeben ist, am Ende 14.3 des Schaftes 14.1 mittels einer schwenkbaren Verbindung 54 schwenkbar angebracht. Das Handgelenkelement 52 kann in der Richtung der Pfeile 56 um die schwenkbare Verbindung 54 schwenken. Eine Endeinwirkungseinrichtung, die im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 58 angegeben ist, ist an einem entgegengesetzten Ende des Handgelenkelements 52 schwenkbar angebracht. Die Endeinwirkungseinrichtung 58 befindet sich in der Form einer Klammer-Anwendungseinrichtung, um während einer chirurgischen Prozedur Klammern zu befestigen. Demzufolge besitzt die Endeinwirkungseinrichtung 58 zwei Teile 58.1, 58.2, die zusammen eine backenartige Anordnung definieren.
Es ist klar, dass die Endeinwirkungseinrichtung in der Form irgendeines gewünschten chirurgischen Werkzeugs vorliegen kann, z. B. zwei Elemente oder Finger besitzen kann, die relativ zueinander schwenken, wie z. B. eine Schere, eine Zange für die Verwendung als Nadeltreiber oder dergleichen. Stattdessen kann sie ein einzelnes Arbeitselement enthalten, z. B. ein Skalpell, eine Brennelektrode oder dergleichen. Wenn ein anderes Werkzeug als eine Klammer-Anwendungseinrichtung während der chirurgischen Prozedur gewünscht wird, wird das Werkzeug 14 einfach von seinem zugeordneten Arm entfernt und durch ein Instrument ersetzt, das die gewünschte Endeinwirkungseinrichtung trägt, z. B. eine Schere oder eine Zange oder dergleichen.
Die Endeinwirkungseinrichtung 58 ist in einem U-förmigen Zughaken, der im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 19 angegeben ist, an einem entgegengesetzten Ende des Handgelenkelements 52 mittels einer schwenkbaren Verbindung 60 angebracht. Es ist klar, dass die freien Enden 11, 13 der Teile 58.1, 58.2 winklig um die schwenkbare Verbindung 60 aufeinander zu und voneinander weg verschiebbar sind, wie durch die Pfeile 62, 63 angegeben ist. Es ist ferner klar, dass die Elemente 58.1, 58.2 winklig um die schwenkbare Verbindung 60 verschoben werden können, um die Orientierung der Endeinwirkungseinrichtung 58 als Ganzes bezüglich des Handgelenkelements 52 zu ändern. Folglich ist jeder Teil 58.1, 58.2 unabhängig vom anderen um die schwenkbare Verbindung 60 winklig verschiebbar, sodass die Endeinwirkungseinrichtung 58 als Ganzes winklig um die schwenkbare Verbindung 60 verschiebbar ist, wie mit den gestrichelten Linien in 5 angegeben ist. Außerdem ist der Schaft 14.1 drehbar am Gehäuse 53 für die Drehung, wie sie durch die Pfeile 59 angegeben ist, angebracht. Folglich besitzt die Endeinwirkungseinrichtung 58 drei Freiheitsgrade der Bewegung bezüglich des Arms 12, nämlich die Drehung um die Achse 14.2, wie durch die Pfeile 59 angegeben ist, die Winkelverschiebung als Ganzes um den Drehpunkt 60 und die Winkelverschiebung um den Drehpunkt 54, wie durch die Pfeile 56 angegeben ist. Durch die Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung innerhalb ihrer drei Freiheitsgrade der Bewegung kann ihre Orientierung bezüglich des Endes 14.3 des Schaftes 14.1 selektiv verändert werden. Es ist klar, dass die Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung bezüglich des Endes 14.3 des Schaftes 14.1 durch geeignet positionierte Aktoren, z. B. Elektromotoren oder dergleichen, gesteuert wird, die auf die Eingaben von der zugeordneten Haupt- bzw. Mastersteuerung reagieren, um die Endeinwirkungseinrichtung 58 in eine gewünschte Orientierung zu lenken, wie durch die Bewegung der Haupt- bzw. Mastersteuerung vorgeschrieben wird. Außerdem sind geeignet positionierte Sensoren, z. B. Codierer oder Potentiometer oder dergleichen, vorgesehen, um dem Steuersystem des minimal invasiven telechirurgischen Systems zu erlauben, die Gelenkpositionen zu bestimmen, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist.
Eine der Haupt- bzw. Mastersteuerungen 700, 700 ist in 6C der Zeichnung angegeben. Ein Handteil oder Handgelenk-Kardan der Master-Steuereinrichtung 700 ist in 6A angegeben, wobei es im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 699 angegeben ist. Das Teil 699 besitzt einen gelenkigen Armabschnitt, der mehrere Elemente oder Verbindungen 702 enthält, die durch schwenkbare Verbindungen oder Gelenke 704 miteinander verbunden sind. Der Chirurg oder die Chirurgin ergreift das Teil 699, indem er bzw. sie seinen bzw. ihren Daumen und Zeigefinger über einer Kneiferformation 706 positioniert. Der Daumen und der Zeigefinger des Chirurgen werden typischerweise durch (nicht gezeigte) Bänder, die durch die Schlitze 710 eingefädelt sind, auf der Kneiferformation 706 gehalten. Wenn die Kneiferformation 706 zwischen dem Daumen und dem Zeigefinger zusammengedrückt wird, schließen sich die Finger oder Endeinwirkungseinrichtungselemente der Endeinwirkungseinrichtung 58. Wenn der Daumen und der Zeigefinger auseinander bewegt werden, bewegen sich die Finger der Endeinwirkungseinrichtung 58 in Übereinstimmung mit der Auseinanderbewegung der Kneiferformation 706 auseinander. Die Gelenke des Teils 699 sind betriebsmäßig mit Aktoren, z. B. Elektromotoren oder dergleichen, verbunden, um z. B. für die Kraftrückkopplung, die Kompensation der Gravitation und/oder dergleichen zu sorgen, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist. Außerdem sind geeignet positionierte Sensoren, z. B. Codierer oder Potentiometer oder dergleichen, an jedem Gelenk 704 des Teils 699 positioniert, um zu ermöglichen, dass die Gelenkpositionen des Teils 699 durch das Steuersystem bestimmt werden.
Das Teil 699 ist typischerweise an einem gelenkigen Arm 712 angebracht, wie in 6B angegeben ist. Das Bezugszeichen 4 in den 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 das Teil 699 um eine Achse bei 4 winklig verschoben werden.
Der gelenkige Arm 712 enthält mehrere Verbindungen 714, die durch schwenkbare Verbindungen oder Gelenke 716 miteinander verbunden sind. Es ist klar, dass außerdem der gelenkige Arm 712 geeignet positionierte Aktoren besitzt, z. B. Elektromotoren oder dergleichen, um z. B. für die Kraftrückkopplung, die Kompensation der Gravitation und/oder dergleichen zu sorgen. Außerdem sind geeignet positionierte Sensoren, z. B. Codierer oder Potentiometer oder dergleichen, an den Gelenken 716 positioniert, um zu ermöglichen, dass die Gelenkpositionen des gelenkigen Arms 712 durch das Steuersystem bestimmt werden, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist.
Um die Orientierung der Endeinwirkungseinrichtung 58 und/oder ihre Position längs eines Translationsweges zu verschieben, bewegt der Chirurg einfach die Kneiferformation 706, um die Endeinwirkungseinrichtung 58 zu veranlassen, sich dahin zu bewegen, wo er die Endeinwirkungseinrichtung 58 in dem auf der Betrachtungseinrichtung 202 betrachteten Bild wünscht. Folglich wird verursacht, dass die Position und/oder die Orientierung der Endeinwirkungseinrichtung der der Kneiferformation 706 folgt.
Die Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtungen 700, 700, sind typischerweise durch schwenkbare Verbindungen bei 717 an der Station 200 angebracht, wie in 6B angegeben ist. Wie oben erwähnt worden ist, positioniert der Chirurg oder die Chirurgin seinen bzw. ihren Daumen und Zeigefinger über der Kneiferformation 706, um jede Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtung 700 zu manipulieren. Die Kneiferformation 706 ist an einem freien Ende des Teils 699 positioniert, das wiederum an einem freien Ende des gelenkigen Armabschnitts 712 angebracht ist.
Die den Roboterarmen 12 und den an ihnen angebrachten chirurgischen Instru menten 14 zugeordneten Elektromotoren und Sensoren und die den Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtungen 700 zugeordneten Elektromotoren und Sensoren sind betriebsmäßig im Steuersystem verbunden. Das Steuersystem enthält typischerweise wenigstens einen Prozessor, typischerweise mehrere Prozessoren, um die Steuerung zwischen dem Eingang in die Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtung und dem reagierenden Ausgang des Roboterarms und des chirurgischen Instruments auszuführen und die Steuerung zwischen dem Eingang des Roboterarms und des chirurgischen Instruments und dem reagierenden Ausgang der Haupt- bzw. Mastersteuerung z. B. im Fall der Kraftrückkopplung auszuführen.
In Gebrauch betrachtet, wie in 7 der Zeichnung schematisch angegeben ist, der Chirurg die Operationsstelle durch die Betrachtungseinrichtung 202. Die an jedem Arm 12 getragene Endeinwirkungseinrichtung 58 wird veranlasst, in Reaktion auf die Bewegungs- und Handlungseingaben in ihre zugeordneten Haupt- bzw. Mastersteuerungen Positions- und Orientierungsbewegungen auszuführen. Die Haupt- bzw. Mastersteuerungen sind schematisch bei 700, 700 angegeben. Es ist klar, dass während einer chirurgischen Prozedur die Bilder der Endeinwirkungseinrichtungen 58 zusammen mit der Operationsstelle durch das Endoskop 304 aufgenommen und auf der Betrachtungseinrichtung 202 angezeigt werden, sodass der Chirurg oder die Chirurgin die Antwortbewegungen und -handlungen der Endeinwirkungseinrichtungen 58 sieht, wie er bzw. sie derartige Bewegungen und Handlungen mittels der Haupt- bzw. Mastersteuereinrichtungen 700, 700 steuert. Das Steuersystem ist beschaffen, um zu veranlassen, dass eine Orientierungs- und Positionsbewegung der Endeinwirkungseinrichtung, wie sie in dem Bild auf der Betrachtungseinrichtung 202 betrachtet wird, auf eine Orientierungs- und Positionsbewegung einer Kneiferformation der Haupt- bzw. Mastersteuerung abgebildet wird, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist.
Die Operation des Steuersystems der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie wird nun ausführlicher beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird das Steuersystem unter Bezugnahme auf eine einzelne Haupt- bzw. Mastersteuerung 700 und ihren zugeordneten Roboterarm 12 und ihr zugeordnetes chirurgisches Instrument 14 beschrieben. Die Haupt- bzw. Mastersteuerung 700 wird einfach als "Master" bezeichnet, während ihr zugeordneter Roboterarm 12 und ihr zugeordnetes chirurgisches Element 14 einfach als "Slave" bezeichnet werden.
Das Verfahren, durch das die Steuerung zwischen der Master-Bewegung und der entsprechenden Slave-Bewegung durch das Steuersystem der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie ausgeführt wird, wird nun unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 der Zeichnung in Form eines Überblicks beschrieben. Das Verfahren wird dann unter Bezugnahme auf die 10 bis 21 der Zeichnung ausführlicher beschrieben.
Die Steuerung zwischen der Master- und Slave-Bewegung wird durch das Vergleichen der Position und der Orientierung des Masters in einem kartesischen Koordinatensystem des Auges mit der Position und der Orientierung des Slaves in einem kartesischen Koordinatensystem der Kamera ausgeführt. Für die Leichtigkeit des Verständnisses und die Sparsamkeit in den Wörtern wird im Rest dieser Beschreibung der Begriff "kartesisches Koordinatensystem" einfach als ein "Rahmen" bezeichnet. Demzufolge wird, wenn der Master stationär ist, die Position und die Orientierung des Slaves innerhalb des Kamerarahmens mit der Position und der Orientierung des Masters im Augenrahmen verglichen, wobei, sollte die Position und/oder die Orientierung des Slaves im Kamerarahmen nicht der Position und/oder der Orientierung des Masters im Augenrahmen entsprechen, der Slave veranlasst wird, sich in eine Position und/oder eine Orientierung im Kamerarahmen zu bewegen, in der seine Position und/oder seine Orientierung im Kamerarahmen der Position und/oder der Orientierung des Masters im Augenrahmen entspricht. In 8 ist der Kamerarahmen im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 610 angegeben, während in 9 der Augenrahmen im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 612 angegeben ist.
Wenn der Master im Augenrahmen 612 in eine Position und/oder eine Orientierung bewegt wird, entspricht die neue Position und/oder Orientierung des Masters nicht der vorher entsprechenden Position und/oder Orientierung des Slaves im Kamerarahmen 610. Das Steuersystem veranlasst dann den Slave, sich in eine neue Position und/oder Orientierung im Kamerarahmen 610 zu bewegen, in dem die neue Position und/oder Orientierung, seine Position und Orientierung im Kamerarahmen 610, der neuen Position und/oder Orientierung des Masters im Augenrahmen 612 entspricht.
Es ist klar, dass das Steuersystem wenigstens einen und typischerweise mehrere Prozessoren enthält, die die neuen entsprechenden Positionen und Orientierungen des Slaves in Reaktion auf die Eingangsbefehle der Master-Bewegung auf einer durch die Verarbeitungszyklusrate des Steuersystems bestimmten konti nuierlichen Grundlage berechnen. Eine typische Verarbeitungszyklusrate des erörterten Steuersystems beträgt etwa 1300 Hz. Folglich wird, wenn der Master aus einer Position in eine nächste Position bewegt wird, die entsprechende Bewegung, die vom Slave verlangt wird, um zu reagieren, bei etwa 1300 Hz berechnet. Natürlich kann das Steuersystem irgendeine geeignete Verarbeitungszyklusrate besitzen, die von dem Prozessor oder den Prozessoren, der bzw. die im Steuersystem verwendet wird bzw. werden, abhängig ist. Alle Echtzeit-Servozyklus-Verarbeitung wird vorzugsweise in einem DSP-Chip (Chip eines digitalen Signalprozessors) ausgeführt. Die DSPs sind infolge ihrer konstanten Berechnungsvorhersagbarkeit und -reproduzierbarkeit bevorzugt. Ein Sharc DSP von Analog Devices, Inc. of Massachusetts ist ein annehmbares Beispiel eines derartigen Prozessors, und die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen.
Der Kamerarahmen 610 ist so positioniert, dass sein Ursprung 614 am Betrachtungsende 306 des Endoskops 304 positioniert ist. Die z-Achse des Kamerarahmens 610 erstreckt sich zweckmäßig axial längs einer Betrachtungsachse 616 des Endoskops 304. Obwohl in 8 die Betrachtungsachse 616 in koaxialer Ausrichtung auf die Schaftachse des Endoskops 304 gezeigt ist, ist klar, dass die Betrachtungsachse 614 relativ dazu winklig sein kann. Folglich kann das Endoskop in der Form eines winkligen Endoskops vorliegen. Natürlich sind die x- und y-Achsen in einer zur z-Achse senkrechten Ebene positioniert. Das Endoskop ist typischerweise um seine Schaftachse winklig verschiebbar. Die x-, y- und z-Achsen sind bezüglich der Betrachtungsachse des Endoskops 304 fest, um sich in Übereinstimmung mit der Winkelverschiebung des Endoskops 304 um seine Schaftachse winklig um die Schaftachse zu verschieben.
Um dem Steuersystem zu ermöglichen, die Position und Orientierung des Slaves zu bestimmen, wird ein Rahmen an der Endeinwirkungseinrichtung 58 definiert oder angebracht. Der Rahmen wird im Rest der Beschreibung als ein Endeinwirkungseinrichtungsrahmen oder Slave-Spitzenrahmen bezeichnet, wobei er im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 618 angegeben ist. Der Endeinwirkungseinrichtungsrahmen 618 besitzt seinen Ursprung an der schwenkbaren Verbindung 60. Zweckmäßig ist eine der Achsen, z. B. die z-Achse, des Rahmens 618 definiert, damit sie sich längs einer Symmetrieachse oder dergleichen der Endeinwirkungseinrichtung 58 erstreckt. Natürlich erstrecken sich dann die x- und y-Achsen senkrecht zur z-Achse. Es ist klar, dass dann die Orientierung des Slaves durch die Orientierung des Rahmens 618, dessen Ursprung sich an der schwenk baren Verbindung 60 befindet, bezüglich des Kamerarahmens 610 definiert ist. Ähnlich ist dann die Position des Slaves durch die Position des Ursprungs des Rahmens bei 60 bezüglich des Kamerarahmens 610 definiert.
In 9 der Zeichnung ist nun der Augenrahmen 612 so gewählt, dass sein Ursprung einer Position 201 entspricht, in der sich die Augen des Chirurgen oder der Chirurgin normalerweise befinden, wenn er bzw. sie die Operationsstelle auf der Betrachtungseinrichtung 202 betrachtet. Die z-Achse erstreckt sich längs einer Sichtlinie des Chirurgen, die durch die Achse 620 angegeben ist, wenn er die Operationsstelle durch die Betrachtungseinrichtung 202 betrachtet. Natürlich erstrecken sich die x- und y-Achsen senkrecht von der z-Achse im Ursprung 201. Zweckmäßig ist die y-Achse so gewählt, dass sie sich im Allgemeinen vertikal bezüglich der Betrachtungseinrichtung 202 erstreckt, während die x-Achse so gewählt ist, dass sie sich im Allgemeinen horizontal bezüglich der Betrachtungseinrichtung 202 erstreckt.
Um dem Steuersystem zu ermöglichen, die Position und Orientierung des Masters innerhalb des Rahmens 612 der Betrachtungseinrichtung zu bestimmen, wird ein Punkt auf dem Master gewählt, der einen Ursprung eines Master-Rahmens oder Master-Spitzenrahmens definiert, der durch das Bezugszeichen 622 angegeben ist. Dieser Punkt ist an einem durch das Bezugszeichen 3A angegebenen Schnittpunkt zwischen den Rotationsachsen 1 und 3 des Masters gewählt, wie am besten in 6A der Zeichnung zu sehen ist. Zweckmäßig erstreckt sich die z-Achse des Master-Rahmens 622 auf dem Master längs einer Symmetrieachse der Kneiferformation 706, die sich koaxial längs der Rotationsachse 1 erstreckt. Die x- und y-Achsen erstrecken sich dann senkrecht von der Symmetrieachse 1 im Ursprung 3A. Demzufolge ist die Orientierung des Masters innerhalb des Augenrahmens 612 durch die Orientierung des Master-Rahmens 622 bezüglich des Augenrahmens 612 definiert. Die Position des Masters im Augenrahmen 612 ist durch die Position des Ursprungs 3A bezüglich des Augenrahmens 612 definiert.
Nun wird unter Bezugnahme auf 10 der Zeichnung beschrieben, wie die Position und Orientierung des Slaves innerhalb des Kamerarahmens 610 durch das Steuersystem bestimmt werden. 10 zeigt eine schematische graphische Darstellung einer der an dem Wagen 300 angebrachten Baugruppen des Roboterarms 12 und des chirurgischen Instruments 14. Bevor jedoch mit einer Beschreibung der 10 begonnen wird, ist es geeignet, bestimmte vorher erwähnte Aspekte der chirurgischen Station 300 zu beschreiben, die einen Einfluss auf die Bestimmung der Orientierung und der Position des Slaves bezüglich des Kamerarahmens 610 ausüben.
In Gebrauch wird die chirurgische Station 300 in die nächste Nähe zu einem Patienten bewegt, der die chirurgische Prozedur benötigt, wenn es erwünscht ist, eine chirurgische Prozedur mittels der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie auszuführen. Der Patient wird normalerweise auf einer Oberfläche, wie z. B. einem Operationstisch oder dergleichen, getragen. Um Trägeroberflächen mit variierender Höhe zu berücksichtigen und um verschiedene Positionen der chirurgischen Station 300 bezüglich der Operationsstelle, an der die chirurgische Prozedur auszuführen ist, zu berücksichtigen, ist die chirurgische Station 300 mit der Fähigkeit versehen, variierende anfängliche Gerätekonfigurationen zu besitzen. Demzufolge sind die Roboterarme 12, 12 und der Endoskoparm 302 an dem Wagen 97 angebracht, der bezüglich der Basis 99 des Wagens 300 in der Höhe einstellbar ist, wie durch die Pfeile K angegeben ist, wie am besten in den 1B und 10 der Zeichnung zu sehen ist. Außerdem sind die Roboterarme 12, 12 und der Endoskoparm 302 mittels der Gerätegelenkarme 95 an dem Wagen 97 angebracht. Folglich können die seitliche Position und die seitliche Orientierung der Arme 12, 12, 302 durch die Bewegung der Gerätegelenkarme 95 ausgewählt werden. Folglich wird beim Beginn der chirurgischen Prozedur der Wagen 300 in die Position in nächster Nähe zum Patienten bewegt, wird eine geeignete Höhe des Wagen 97 gewählt, indem er in eine geeignete Höhe bezüglich der Basis 99 bewegt wird, und werden die chirurgischen Instrumente 14 bezüglich des Wagen 97 bewegt, um die Schäfte der Instrumente 14 und das Endoskop 304 durch die Eintrittsöffnungen und in die Positionen einzuführen, in denen die Endeinwirkungseinrichtungen 58 und das Betrachtungsende 306 des Endoskops 304 geeignet an der Operationsstelle positioniert sind und die Drehpunkte mit den Eintrittsöffnungen übereinstimmen. Sobald die Höhe und die Positionen ausgewählt sind, wird der Wagen 97 in seiner geeigneten Höhe verriegelt und werden die Gerätegelenkarme 95 in ihren Positionen und Orientierungen verriegelt. Normalerweise wird während der chirurgischen Prozedur der Wagen 97 in der ausgewählten Höhe gelassen, wobei ähnlich die Gerätegelenkarme 95 in ihren ausgewählten Positionen gelassen werden. Falls gewünscht, können jedoch während der chirurgischen Prozedur entweder das Endoskop oder eines oder beide der Instrumente durch andere Eintrittsöffnungen eingeführt werden.
In 10 wird nun die Bestimmung der Position und Orientierung des Slaves innerhalb des Kamerarahmens 610 durch das Steuersystem beschrieben. Es ist klar, dass dies mittels eines oder mehrerer Prozessoren ausgeführt wird, die eine spezifische Verarbeitungszyklusrate besitzen. Folglich sollte, wenn es geeignet ist, immer daran gedacht werden, dass eine entsprechende Geschwindigkeit außerdem leicht bestimmt wird, wann immer in dieser Spezifikation auf die Position und die Orientierung Bezug genommen wird. Das Steuersystem bestimmt die Position und die Orientierung des Slaves innerhalb des Kamerarahmens 610 durch Bestimmung der Position und der Orientierung des Slaves bezüglich eines Wagenrahmens 624 und durch das Bestimmen der Orientierung und der Position des Endoskops 304 unter Bezugnahme auf denselben Wagenrahmen 624. Der Wagenrahmen 624 besitzt einen Ursprung, der in 10 durch das Bezugszeichen 626 angegeben ist.
Um die Position und die Orientierung des Slaves bezüglich des Wagenrahmens 624 zu bestimmen, wird die Position eines Drehpunktrahmens 630, dessen Ursprung sich im Drehpunkt 49 befindet, innerhalb des Wagenrahmens 624 bestimmt, wie durch den Pfeil 628 in gestrichelten Linien angegeben ist. Es ist klar, dass während der ganzen chirurgischen Prozedur die Position des Drehpunkts 49 normalerweise am selben Ort bleibt, der mit der Eintrittsöffnung in die Operationsstelle übereinstimmt. Die Position des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 an dem Slave, dessen Ursprung sich an der schwenkbaren Verbindung 60 befindet, wird dann bezüglich des Drehpunktrahmens 630 bestimmt, wobei die Orientierung des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 an dem Slave außerdem bezüglich des Drehpunktrahmens 630 bestimmt wird. Die Position und die Orientierung des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 bezüglich des Wagenrahmens werden dann mittels einer Routineberechnung unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen bestimmt.
Es ist klar, dass der Roboterarm 302 des Endoskops 304 eingeschränkt ist, damit er sich in einer zum Roboterarm 10 ähnlichen Weise bewegt, wie in 4 der Zeichnung schematisch angegeben ist. Folglich definiert das Endoskop 304, wenn es mit seinem Betrachtungsende 306 auf die Operationsstelle gerichtet positioniert ist, außerdem einen Drehpunkt, der mit seiner zugeordneten Eintrittsöffnung in die Operationsstelle übereinstimmt. Der Endoskoparm 302 kann angetrieben werden, um das Endoskop 304 zu veranlassen, sich während einer chirurgischen Prozedur in eine andere Position zu bewegen, um dem Chirurgen zu ermöglichen, im Ver lauf der Ausführung der chirurgischen Prozedur die Operationsstelle von einer anderen Position zu betrachten. Es ist klar, dass die Bewegung des Betrachtungsendes 306 des Endoskops 304 ausgeführt wird, indem die Orientierung des Endoskops 304 bezüglich seines Schwenkmittelpunkts oder Drehpunkts verändert wird. Die Position und die Orientierung des Kamerarahmens 610 innerhalb des Wagenrahmens 624 werden in einer ähnlichen Weise zur Position und Orientierung des Slaves innerhalb des Wagenrahmens 624 bestimmt. Wenn die Position und die Orientierung des Kamerarahmens 610 bezüglich des Wagenrahmens 624 und die Position und die Orientierung des Slaves bezüglich des Wagenrahmens 624 in dieser Weise bestimmt worden sind, sind die Position und die Orientierung des Slaves bezüglich des Kamerarahmens 610 leicht durch Routineberechnung unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen bestimmbar.
Nun wird unter Bezugnahme auf 11 der Zeichnung beschrieben, wie die Position und die Orientierung des Masters innerhalb des Rahmens 612 der Betrachtungseinrichtung durch das Steuersystem bestimmt werden. 11 zeigt eine schematische graphische Darstellung einer der Master-Steuerungen 700 in der Station 200 der Bedienungsperson.
Die Station 200 der Bedienungsperson enthält optional außerdem Gerätegelenkarme, wie bei 632 angegeben ist, um zu ermöglichen, dass der allgemeine Ort der Master 700, 700 verändert wird, um ihn 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 positioniert sind. Wenn die Master 700, 700 auf diese Weise komfortabel positioniert sind, werden die Gerätegelenkarme 632 in der Position verriegelt und normalerweise während der ganzen chirurgischen Prozedur in dieser Position gehalten.
Um die Position und die Orientierung des Masters 700, wie in 11 angegeben ist, innerhalb des Augenrahmens 612 zu bestimmen, werden die Position und die Orientierung des Augenrahmens 612 bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen und die Position und die Orientierung des Masters 700 bezüglich des Rahmens 634 des Chirurgen bestimmt. Der Rahmen 634 der Station des Chirurgen besitzt seinen Ursprung an einem Ort, der normalerweise während der chirurgischen Prozedur stationär ist und der bei 636 angegeben ist.
Um die Position und die Orientierung des Masters 700 bezüglich des Rahmens 634 der Station zu bestimmen, wird eine Position eines Master-Geräterahmens 640 an einem Ende der Gerätegelenkarme 632, an denen der Master 700 angebracht ist, bezüglich des Stationsrahmens 636 bestimmt, wie durch den Pfeil 638 in gestrichelten Linien angegeben ist. Die Position und die Orientierung des Master-Rahmens 622 am Master 700, der seinen Ursprung bei 3A besitzt, werden dann bezüglich des Master-Geräterahmens 640 bestimmt. In dieser Weise können die Position und die Orientierung des Master-Rahmens 622 bezüglich des Rahmens 634 mittels Routineberechnung unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen bestimmt werden. Die Position und die Orientierung des Augenrahmens 632 bezüglich des Rahmens 634 der Station werden in ähnlicher Weise bestimmt. Es ist klar, dass die Position der Betrachtungseinrichtung 202 bezüglich des Rests des Bedienungsplatzes 200 des Chirurgen selektiv verändert werden können, um sie an den Chirurgen anzupassen. Die Position und die Orientierung des Master-Rahmens 622 bezüglich des Augenrahmens 612 können dann aus der Position und der Orientierung des Master-Rahmens 622 und des Augenrahmens 612 bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen mittels Routineberechnung unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen bestimmt werden.
In der oben beschriebenen Weise bestimmt das Steuersystem der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie die Position und die Orientierung der Endeinwirkungseinrichtung 58 mittels des Endeinwirkungsrahmens 618 im Kamerarahmen 610, wobei es gleichermaßen die Position und die Orientierung des Masters mittels des Master-Rahmens 622 bezüglich des Augenrahmens 612 bestimmt.
Wie erwähnt worden ist, ergreift der Chirurg oder die Chirurgin den Master, indem er bzw. sie seinen bzw. ihren Daumen und Zeigefinger über die Kneiferformation 706 legt. Wenn sich der Daumen und der Zeigefinger des Chirurgen auf der Kneiferformation befinden, ist der Schnittpunkt 3A innerhalb der Spitzen des Daumens und Zeigefingers positioniert. Der Master-Rahmen, dessen Ursprung sich bei 3A befindet, wird effektiv auf den Endeinwirkungseinrichtungsrahmen 618 abgebildet, dessen Ursprung sich an der schwenkbaren Verbindung 60 der Endeinwirkungseinrichtung 58 befindet, wie durch den Chirurgen in der Betrachtungseinrichtung 202 gesehen wird. Folglich erscheint es dem Chirurgen oder der Chirurgin, dass sein bzw. ihr Daumen und Zeigefinger auf die Finger der Endeinwirkungseinrichtung 58 abgebildet sind und dass die schwenkbare Verbindung 60 der Endeinwirkungseinrichtung 58 einem virtuellen Drehpunkt des Daumens und Zeigefingers des Chirurgen innerhalb der Spitzen von Daumen und Zeigefinger entspricht, wenn die chirurgische Prozedur ausgeführt wird und der Chirurg die Position und die Orientierung der Kneiferformation 706 manipuliert, um zu verursachen, dass die Position und die Orientierung der Endeinwirkungseinrichtung 58 folgen. Es ist klar, dass abhängig von der tatsächlichen Konfiguration der Kneiferformation, insbesondere vom Schnittpunkt der Achsen 1 und 3 bezüglich der Position der Kneiferformation 706, der Rahmen 622 am Master 700 vom Schnittpunkt 3A versetzt sein kann, um sich einem Punkt bezüglich der Hand des Chirurgen zu nähern, dem der Punkt der schwenkbaren Verbindung 60 etwa entspricht.
Demzufolge verfolgen, wie die chirurgische Prozedur ausgeführt wird, die Position und die Orientierung der Finger der Endeinwirkungseinrichtung die Orientierungs- und Positionsänderungen des Daumens und Zeigefingers des Chirurgen in einer natürlichen intuitiven oder überlagerten Weise. Außerdem entspricht die Betätigung der Endeinwirkungseinrichtung 58, nämlich das Verursachen, dass sich die Finger der Endeinwirkungseinrichtung selektiv öffnen und schließen, intuitiv dem Öffnen und Schließen des Daumens und Zeigefingers des Chirurgen. Folglich wird die Betätigung der Endeinwirkungseinrichtung 58, wie sie in der Betrachtungseinrichtung 302 betrachtet wird, durch den Chirurgen in einer natürlichen intuitiven Weise ausgeführt, weil der Drehpunkt 60 der Endeinwirkungseinrichtung 58 geeignet auf einen virtuellen Drehpunkt zwischen dem Daumen und Zeigefinger des Chirurgen abgebildet wird.
Es ist klar, dass der Endeinwirkungseinrichtungsrahmen 618 bezüglich der schwenkbaren Verbindung 60 versetzt sein kann, wo es geeignet ist. Folglich kann, sollte z. B. die Endeinwirkungseinrichtung (wie in der Anzeige gezeigt ist) Finger mit einer relativ langen Länge besitzen, der Ursprung des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens in einer Richtung zu den Fingerspitzen der Endeinwirkungsrichtung versetzt sein. Es ist außerdem klar, dass unter Verwendung von Positions- und/oder Orientierungsversätzen sowohl zwischen dem Master-Rahmen 622 und dem Schnittpunkt 3A als auch zwischen dem Endeinwirkungseinrichtungsrahmen 618 und der schwenkbaren Verbindung 60 die Abbildung der Kneiferformation 706 auf die Endeinwirkungseinrichtung 58 verschoben werden kann, um z. B. die Spitzen der Kneiferformationen auf die Spitzen der Endeinwirkungseinrichtung abzubilden. Diese alternativen Abbildungen sind in 11A veranschaulicht.
Im Allgemeinen ist ein erstes Kneiferelement 706A vorzugsweise im Wesentlichen mit einem ersten Endeinwirkungseinrichtungselement 58.1 verbunden, während ein zweites Kneiferelement 706B im Wesentlichen mit einem zweiten Endeinwirkungseinrichtungselement 58.2 verbunden ist. Optional kann der Punkt 3A (der sich im Idealfall in der Nähe des Drehungsmittelpunktes der kardanischen Struktur des Masters 700, 706A und 706B befindet) benachbart zur schwenkbaren Verbindung zwischen den Kneiferelementen im Wesentlichen mit der schwenkbaren Verbindung 60 am Slave verbunden sein. Dies schafft außerdem effektiv eine wesentliche Verbindung zwischen dem Drehpunkt auf der Hand H des Chirurgen und der schwenkbaren Verbindung 60, da der Chirurg oft den Master mit dem Drehpunkt der Hand (an der Basis des Fingers und Daumens des Chirurgen) ergreift, der längs des Drehpunkts des Kneifers angeordnet ist. Alternativ kann der Mittelpunkt MP1, der zwischen den Spitzen der Kneiferelemente angeordnet ist, im Wesentlichen mit dem Mittelpunkt MP2 verbunden sein, der zwischen den Spitzen der Endeinwirkungseinrichtungselemente angeordnet ist. Jede der hierin beschriebenen höheren Ebenen der Verbindung kann optional durch diese Abbildung bereitgestellt werden.
11B und C veranschaulichen die entsprechenden Abbildungspunkte zwischen dem Griff der Master-Steuerung und der Endeinwirkungseinrichtung des Slaves deutlicher, während 11C die Verfahrensschritte zum Auswählen dieser entsprechenden Abbildungspunkte schematisch veranschaulicht. Im Allgemeinen können die austauschbaren Endeinwirkungseinrichtungen, die verschiedene Längen der Endeinwirkungseinrichtungselemente besitzen, aufgenommen werden, indem der Abbildungspunkt des Griffs oder der Endeinwirkungseinrichtung verändert wird. Eine derartige Variation der Abbildungspunkte kann außerdem verwendet werden, wenn sich die Vergrößerung des auf der Anzeige gezeigten Bildes signifikant ändert. Die wesentliche Verbindung der schwenkbaren Verbindung 60 der Endeinwirkungseinrichtung mit dem Schnittpunkt 3A des Griffs kann z. B. geeignet sein, wenn die Endeinwirkungseinrichtung mit einer ersten Vergrößerung gezeigt wird, sie kann aber unangemessen sein, wenn die Vergrößerung der Endeinwirkungseinrichtung signifikant vergrößert wird oder wenn eine alternative Endeinwirkungseinrichtung, die längere Endeinwirkungseinrichtungselemente besitzt, am Slave angebracht ist. Unter beiden Umständen kann es geeignet sein, die Master-/Slave-Wechselwirkung zu ändern, um den Mittelpunkt MP2 des Masters mit dem Mittelpunkt MP1' der Endeinwirkungseinrichtung im Wesentlichen zu verbinden, wie in 11B gezeigt ist.
Als vorbereitende Sache ist es in chirurgischen Robotersystemen vorteilhaft, eine Master-Steuerung bereitzustellen, die einen kardanischen Punkt GP besitzt, der an den Griff angrenzt, der durch den Chirurgen zu ergreifen ist. Dies vermeidet große Master-Trägheit, wenn der Chirurg den Griff schnell dreht, wie es oft während chirurgischer Prozeduren auftritt. Indem ein Master vorgesehen wird, der mehrere Freiheitsgrade besitzt, die sich im kardanischen Punkt GP schneiden (der im Idealfall drei Orientierungsfreiheitsgrade besitzt, die sich im kardanischen Punkt schneiden), und in dem der kardanische Punkt mit dem Griff übereinstimmend vorgesehen wird, kann die Trägheit der schnellen Drehbewegungen beim Master ziemlich niedrig sein.
Wie oben beschrieben worden ist, ist es oft vorteilhaft, die Bewegungen des Slaves zu koordinieren, sodass ein Bild der schwenkbaren Verbindung 60 des Slaves mit dem Drehpunkt 3A der Kneiferformationen zwischen den Kneifer- oder Greifelementen 706A, 706B im Wesentlichen verbunden erscheint. Wenn sich jedoch die Endeinwirkungseinrichtungselemente 58.1, 58.2 in einem beträchtlichen Abstand über die schwenkbare Verbindung 60 hinaus erstrecken (wie in der Anzeige neben der Master-Steuerung gezeigt wird), kann der Chirurg fühlen, dass die Manipulation dieser langen Endeinwirkungseinrichtungselemente von der entfernten schwenkbaren Verbindung unhandlich wird. Ähnlich kann dem Chirurgen, wenn er ein einzelnes Endeinwirkungseinrichtungselement manipuliert, wie z. B. ein Skalpell, das viel länger als der Master-Griff ist (wie es auf der Master-Steuerstation angezeigt wird), der Eindruck des Schneidens mit einem Schwert mit einem langen Griff anstatt mit einem leicht gesteuerten Skalpell gegeben werden. Wie oben beschrieben worden ist es, besteht eine Alternative, um die unhandliche Ungleichheit der Längen des Griffs/der Endeinwirkungseinrichtung zu überwinden, darin, den chirurgischen Arbeitsraum und den Master-Steuerungsarbeitsraum zusammen abzubilden, sodass die Mittelpunkte MP1, MP2 zwischen den Backenenden der Endeinwirkungseinrichtung und den Greifelementenden des Griffs im Wesentlichen verbunden werden. Durch das Abbilden des chirurgischen Arbeitsraums und des Master-Arbeitsraumes, sodass diese Mittelpunkte im Wesentlichen verbunden sind, kann der Chirurg die Bewegung unter Verwendung der Endeinwirkungseinrichtung ungeachtet signifikanter Unterschiede der Länge zwischen den Endeinwirkungseinrichtungselementen und den Griffelementen koordinieren.
Der Abbildungspunkt muss nicht auf irgendeinen speziellen Punkt eingeschränkt sein. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Mittelachse der Griffelemente MAG im Allgemeinen auf halbem Wege zwischen den Kneiferelementen 706A, 706B definiert, während eine ähnliche Mittelachse der Endeinwirkungseinrichtung MAE auf halbem Wege zwischen den Endeinwirkungseinrichtungselementen 58.1, 58.2 definiert ist. Der Abbildungspunkt (oder der Punkt der wesentlichen Verbindung) des Masters ist vorzugsweise längs der Griffmittelachse MAG angeordnet, im Idealfall in einem Bereich vom Schnittpunkt 3A zum Mittelpunkt MP2. Ähnlich ist der Abbildungspunkt oder der Punkt der wesentlichen Verbindung der Endeinwirkungseinrichtung vorzugsweise längs der Mittelachse MAE angeordnet, im Idealfall in einem Bereich von der schwenkbaren Verbindung 60 zum Mittelpunkt MP1.
11C veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Bestimmen des Ortes der im Wesentlichen verbundenen Abbildungspunkte längs des Griffs und der Endeinwirkungseinrichtung. Zuerst wird der Ort der Hand des Chirurgen längs des Master-Griffs überprüft, um die Position der Finger des Chirurgen bezüglich des kardanischen Punktes GP zu bestimmen. In einer Ausführungsform definiert der Versatzabstand zwischen einem Ort der Fingerspitzen des Chirurgen und dem kardanischen Punkt GP einen Versatzabstand. Dieser Versatzabstand wird unter Verwendung eines Skalierungsfaktors skaliert, typischerweise unter Verwendung eines Verhältnisses zwischen einer Länge der Griffelemente und der Länge der Endeinwirkungseinrichtungselemente, einer Vergrößerung der Anzeige oder dergleichen. Unter Verwendung von Zahlen, die für das beispielhafte chirurgische Robotersystem typisch sind, wird z. B. der Versatzabstand skaliert, indem er mit ein Drittel multipliziert wird, da die Griffelemente typischerweise eine Länge von etwa dem Dreifachen der Längen der Endeinwirkungseinrichtungselemente besitzen. Dieser Skalierungsfaktor kann sich mit Werkzeugänderungen (wenn Endeinwirkungseinrichtungen, die längere oder kürzere Endeinwirkungseinrichtungselemente besitzen, verwendet werden) oder dergleichen ändern. Der Ort der Abbildungspunkte auf dem Slave kann dann z. B. in einer Position berechnet werden, die vom Mittelpunkt MP1 längs der Mittelachse MAE der Endeinwirkungseinrichtung um den skalierten Versatzabstand zur schwenkbaren Verbindung 60 versetzt ist. Dieser Abbildungspunkt der Endeinwirkungseinrichtung kann dann mit dem kardanischen Punkt GP des Masters im Wesentlichen verbunden sein.
Es ist klar, dass der Wagenrahmen 624 an irgendeinen zweckmäßigen Ort gewählt werden kann, an dem sein Ursprung einem Ort auf dem Wagen 300 entspricht, der sich bezüglich seiner Basis 99 nicht verändert. Der Rahmen 634 der Station des Chirurgen kann gleichermaßen an irgendeinem zweckmäßigen Ort gewählt werden, sodass sich sein Ursprung an einer Position befindet, die sich bezüglich einer Basis 642 von ihm nicht verändert. Außerdem kann von mehreren verschiedenen Zwischenrahmenwegen Gebrauch gemacht werden, um die Position und die Orientierung des Kamerarahmens 610 bezüglich des Wagenrahmens 624 zu bestimmen. Um die Position und die Orientierung des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 bezüglich des Wagenrahmens 624 zu bestimmen, kann außerdem von mehreren verschiedenen Zwischenrahmenwegen Gebrauch gemacht werden.
Es ist jedoch festgestellt worden, dass, sollten die Zwischenrahmenwege geeignet gewählt sein, das Steuersystem dann beschaffen ist, um leicht anpassbar zu sein, um an die modulare Ersetzung von modularen Teilen angepasst zu werden, die andere Eigenschaften als die modularen Teile besitzen, die ersetzt werden. Es ist klar, dass das Auswählen von Zwischenrahmen außerdem den Rechenprozess erleichtert, der beim Bestimmen der Position und Orientierung des Masters und des Slaves eingeschlossen ist.
In 10 der Zeichnung ist der Wagenrahmen bei 624 gewählt, wie bereits erwähnt worden ist. Es ist klar, dass das Bestimmen der Position des Drehpunktrahmens 630 bezüglich des Wagenrahmens 624 durch geeignet positionierte Sensoren, wie z. B. Potentiometer, Codierer oder dergleichen, ausgeführt wird. Zweckmäßig wird die Position 630 des Drehpunktrahmens bezüglich des Wagenrahmens 624 durch zwei Zwischenrahmen bestimmt. Einer der Rahmen ist ein Wagenführungsrahmen 644, der seinen Ursprung an einem zweckmäßigen Ort auf einer Führung besitzt, längs der der Wagen 97 geführt wird. Der andere Rahmen, ein bei 646 angegebener Armplattformrahmen, ist an einem Ende des Gerätegelenkarms 95 positioniert, an dem der Roboterarm 12 angebracht ist. Folglich wird, wenn die Position und die Orientierung des Slaves bezüglich des Wagenrahmens 624 bestimmt werden, die Position des Wagenführungsrahmens 644 bezüglich des Wagenrahmens 624 bestimmt, wobei dann die Position des Plattformrahmens 646 bezüglich des Wagenführungsrahmens 644, dann der Drehpunktrahmen 630 bezüglich des Plattformrahmens 646 und dann die Orientierung und die Position des Slaves bezüglich des Drehpunktrahmens 630 be stimmt werden, um dadurch die Position und die Orientierung des Slaves bezüglich des Wagenrahmens 624 zu bestimmen. Es ist klar, dass die Position und die Orientierung des Slaves bezüglich des Wagenrahmens 624 in dieser Weise für jeden Arm 10 und in einer ähnlichen Weise für den Kamerarahmen 610 durch seinen Arm 302 bezüglich des Wagenrahmens 624 bestimmt werden.
In 11 werden die Position und die Orientierung der Master-Steuerung durch das Bestimmen der Position eines Basisrahmens 648 bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen und dann das Bestimmen der Position des Plattformrahmens 640 bezüglich des Basisrahmens 648 und dann das Bestimmen der Position und der Orientierung des Masters bezüglich des Plattformrahmens 640 bestimmt. Die Position und die Orientierung des Master-Rahmens 622 bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen werden dann durch Routineberechnung unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen leicht bestimmt. Es ist klar, dass die Position und die Orientierung des anderen Master-Rahmens bezüglich des Bedienungsplatzrahmens 634 des Chirurgen in einer ähnlichen Weise bestimmt werden.
In 10 kann das Gerätegelenk 95 durch ein weiteres Gerätegelenk ersetzt werden, während derselbe Roboterarm verwendet wird, indem die Rahmen gewählt werden, wie beschrieben worden ist. Das Steuersystem kann dann mit Informationen, z. B. den Armlängen und/oder dergleichen, nur bezüglich des neuen Gerätegelenks programmiert werden. Ähnlich kann der Roboterarm 10 durch einen weiteren Arm ersetzt werden, wobei das Steuersystem dann die Programmierung mit Informationen, z. B. der Drehpunktposition und/oder dergleichen, nur bezüglich des neuen Roboterarms erfordert. Es ist klar, dass in dieser Weise der Endoskoparm 302 und sein zugeordnetes Gerätegelenk außerdem unabhängig ersetzt werden können, wobei das Steuersystem dann die Programmierung von Informationen nur bezüglich des ersetzten Teils erfordert. Außerdem können in 11 das Gerätegelenk und die Master-Steuerung ebenfalls unabhängig ersetzt werden, wobei das Steuersystem die Programmierung von Informationen nur bezüglich der Eigenschaften des neuen Teils erfordert.
12 veranschaulicht schematisch eine Steuerarchitektur hoher Ebene für ein Master-/Slave-Robotersystem 1000. Beginnend am Eingang der Bedienungsperson bewegt ein Chirurg 1002 eine Eingangseinrichtung eines Master-Manipulators 1004 durch das Ausüben manueller oder menschlicher Kräfte f_h gegen die Eingangseinrichtung. Die Codierer des Master-Manipulators 1004 erzeugen die Master-Codierersignale e_m, die durch einen Master-Eingangs-/-Ausgangs-Prozessor 1006 interpretiert werden, um die Master-Gelenkpositionen θ_m zu bestimmen. Die Master-Gelenkpositionen werden verwendet, um die kartesischen Positionen der Eingangseinrichtung des Masters x_m unter Verwendung eines Master-Kinematikmodells 1008 zu erzeugen.
Beginnend nun mit der Eingabe von der chirurgischen Umgebung 1018 üben die Gewebestrukturen im chirurgischen Arbeitsplatz die Kräfte f_e auf die chirurgische Endeinwirkungseinrichtung (und möglicherweise auf andere Elemente des Werkzeugs und/oder des Manipulators) aus. Die Umgebungskräfte f_e von der chirurgischen Umgebung 1018 ändern die Position des Slaves 1016, wodurch sie die Slave-Codiererwerte e_s ändern, die zum Slave-Eingangs-/-Ausgangs-Prozessor 1014 übertragen werden. Der Slave-Eingangs-/-Ausgangs-Prozessor 1014 interpretiert die Slave-Codiererwerte, um die Gelenkpositionen θ_s zu bestimmen, die dann verwendet werden, um die kartesischen Slave-Positionssignale x_s entsprechend dem Slave-Kinematikverarbeitungsblock 1012 zu erzeugen.
Die kartesischen Master- und Slave-Positionen x_m, x_s werden in die bilaterale Steuerung 1010 eingegeben, die diese Eingaben verwendet, um die gewünschten kartesischen Kräfte zu erzeugen, die durch den Slave f_s ausüben sind, sodass der Chirurg den Slave wie gewünscht manipulieren kann, um eine chirurgische Prozedur auszuführen. Außerdem verwendet die bilaterale Steuerung 1010 die kartesischen Master- und Slave-Positionen x_m, x_s, um die gewünschten kartesischen Kräfte zu erzeugen, die durch den Master f_m, auszuüben sind, um eine Kraftrückkopplung für den Chirurgen zu schaffen.
Im Allgemeinen erzeugt die bilaterale Steuerung 1010 die Slave- und Master-Kräfte f_s, f_m, durch Abbildung der kartesischen Position des Masters im Master-Steuerungsarbeitsraum mit der kartesischen Position der Endeinwirkungseinrichtung im chirurgischen Arbeitsraum entsprechend einer Transformation. Vorzugsweise leitet das Steuersystem 1000 die Transformation in Reaktion auf vom Abbildungssystem bereitgestellte zustandsvariable Signale ab, sodass ein Bild der Endeinwirkungseinrichtung in einer Anzeige im Wesentlichen mit der Eingangseinrichtung verbunden erscheint. Diese Zustandsvariablen geben im Allgemeinen die kartesische Position des Blickfeldes von der Bildaufnahmeeinrichtung an, wie sie von den Slave-Manipulatoren geliefert werden, die die Bildaufnahmeeinrichtung tragen. Folglich ist die Kopplung des Bildaufnahme-Manipulators und des Slave-Endeinwirkungseinrichtungsmanipulators für das Ableiten dieser Transformation vorteilhaft. Offensichtlich kann die bilaterale Steuerung 1010 verwendet werden, um mehr als einen Slave-Arm zu steuern, und/oder mit zusätzlichen Eingängen versehen werden.
Die bilaterale Steuerung 1010 erzeugt im Allgemeinen basierend auf der Differenz der Position zwischen dem Master und dem Slave im abgebildeten Arbeitsraum die kartesische Slave-Kraft f_s, um den Slave zu drängen, der Position des Masters zu folgen. Die Slave-Kinematik 1012 wird verwendet, um die kartesischen Slave-Kräfte f_s zu interpretieren, um die Gelenkdrehmomente des Slaves τ_s zu erzeugen, die zu den gewünschten Kräften auf die Endeinwirkungseinrichtung führen. Der Slave-Eingangs-/-Ausgangs-Prozessor 1014 verwendet diese Gelenkdrehmomente, um die Slave-Motorströme i_s zu berechnen, die den Slave x_s innerhalb des chirurgischen Arbeitsraumes neu positionieren.
Die gewünschten Rückkopplungskräfte von der bilateralen Steuerung werden ähnlich von der kartesischen Kraft auf den Master f_m, basierend auf der Master-Kinematik 1008 interpretiert, um die Master-Gelenkdrehmomente τ_s zu erzeugen. Die Master-Gelenkdrehmomente werden durch die Master-Eingangs-/-Ausgangs-Steuerung 1006 interpretiert, um den Master-Motorstrom im für den Master-Manipulator 1004 bereitzustellen, der die Position der Hand-Eingangseinrichtung x_h in der Hand des Chirurgen ändert.
Es wird erkannt, dass das in 12 veranschaulichte Steuersystem 1000 eine Vereinfachung ist. Der Chirurg übt z. B. nicht nur Kräfte gegen die Master-Eingangseinrichtung aus, sondern er bewegt außerdem den Griff innerhalb des Master-Arbeitsraumes. Ähnlich kann der an die Motoren des Master-Manipulators gelieferte Motorstrom nicht zu einer Bewegung führen, falls der Chirurg die Position der Master-Steuerung beibehält. Dennoch führen die Motorströme zu einer taktilen Kraftrückkopplung zum Chirurgen anhand der durch die chirurgische Umgebung auf den Slave ausgeübten Kräfte. Außerdem kann die Verwendung sphärischer, zylindrischer oder anderer Bezugssysteme wenigstens einige der Vorteile der Erfindung schaffen, während die Abbildung mit kartesischen Koordinaten bevorzugt ist.
Weitere Aspekte des Steuersystems der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie werden nun unter Bezugnahme auf 12A beschrieben.
12A gibt die Steuerschritte an, durch die das Steuersystem der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie die Position und die Orientierung des Slaves bestimmt, nämlich die Position und die Orientierung des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 im Kamerarahmen 610.
Die Positionen oder Versätze des Wagenführungsrahmens 644 bezüglich des Wagenrahmens 624 sind bei 621 angegeben. Die Versätze bei 621 werden durch einen Vorwärtskinematikblock (FKIN) bei 623 gespeist, um die entsprechenden kartesischen Koordinaten des Rahmens 644 bezüglich des Wagenrahmens 624 zu liefern.
Die Sensoren 625, die betriebsmäßig dem Gerätegelenkarm 95 zugeordnet sind, und die Sensoren, die die Höhe des Wagens 97 bestimmen, werden durch einen Prozessor 627 gelesen, um die Translations- und Gelenkpositionen zu bestimmen. Die Translations- und Gelenkpositionen werden dann in einen FKIN-Block 629 eingegeben, um die entsprechenden kartesischen Koordinaten zu bestimmen. Bei 631 werden die kartesischen Koordinaten des Wagenführungsrahmens 644 bezüglich des Wagenrahmens 624 und die kartesischen Koordinaten des Plattformrahmens 646 bezüglich des Wagenrahmens 644 verwendet, um die kartesischen Koordinaten des Plattformrahmens 646 bezüglich des Wagenrahmens 624 zu bestimmen.
Weil sich die Position des Drehpunkts 49 bezüglich des Plattformrahmens 646 nicht ändert, wird ein Versatz bezüglich des Plattformrahmens 646, der bei 633 angegeben ist, in eine FKIN-Steuerung bei 635 eingegeben, um die kartesischen Koordinaten des Drehpunktrahmens 630 bezüglich des Plattformrahmens 646 zu liefern. Es ist klar, dass der Begriff FKIN-Steuerung zu interpretieren ist, dass er eine geeignete Umsetzungsmatrix und geeignete kinematische Beziehungen einschließt, wo es geeignet ist. Bei 637 werden die kartesischen Koordinaten des Drehpunktrahmens 630 bezüglich des Wagenrahmens 624 mittels der bei 631 bzw. 635 bestimmten Werte bestimmt.
Es ist klar, dass in einer ähnlichen Weise die kartesischen Koordinaten des Drehpunkts des Endoskops bezüglich des Wagenrahmens 624 bestimmt werden. Dies ist bei 639 angegeben.
Wie erwähnt worden ist, können die Position und die Orientierung des Endoskops 304 verändert werden. Die Position und die Orientierung des Endoskops 304 können während des Aufbaus des Wagens 300, bevor die chirurgische Prozedur beginnt, oder während der Ausführung einer chirurgischen Prozedur, sollte der Chirurg wünschen, die Operationsstelle von einem anderen Ort zu betrachten, verändert werden.
Um dem Steuersystem zu ermöglichen, die Position und die Orientierung des Endoskops bezüglich des Wagenrahmens 624 zu bestimmen, sind an seinem zugeordneten Arm 302 Sensoren vorgesehen. Diese bei 641 angegebenen Sensoren werden durch einen Prozessor 643 gelesen, um die Gelenkpositionen zu bestimmen. Die auf diese Weise bestimmten Gelenkpositionen werden zusammen mit den bei 639 bestimmten kartesischen Koordinaten in eine FKIN-Steuerung bei 645 eingespeist, um die Orientierung und die Position des Endoskops bezüglich des Wagenrahmens 624 zu bestimmen. Diese Werte werden dann zusammen mit den bei 637 bestimmten Werten in 647 eingegeben, um zu ermöglichen, dass der Drehpunktrahmen 630 des Slaves bezüglich des Kamerarahmens 610 bestimmt wird.
Während des Verlaufs der chirurgischen Prozedur ändern sich normalerweise die Orientierung und die Position des Slaves ständig. Die sich ändernden Gelenkpositionen und -geschwindigkeiten werden zusammen mit den bei 647 bestimmten kartesischen Koordinatenwerten der Slave-Position bezüglich des Kamerarahmens in eine FKIN-Steuerung bei 653 eingespeist, um die kartesische Position und die kartesische Geschwindigkeit des Slaves, nämlich des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618, bezüglich des Kamerarahmens 610 zu liefern, wie durch die Pfeile 655 bzw. 657 angegeben ist. Für die Sparsamkeit in den Wörtern ist im Rest dieser Beschreibung die kartesische Position zu interpretieren, dass sie die kartesische Orientierung enthält, wo es geeignet ist. Die sich ändernden Gelenkpositionen und -geschwindigkeiten werden in den FKIN-Block 653 von einem Simulationsbereich eingespeist, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist.
Unter Bezugnahme auf 13 werden nun die Position und die Orientierung des Masters bezüglich des Rahmens 612 der Betrachtungseinrichtung beschrieben.
Der Basisrahmen 648 ändert sich normalerweise nicht bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen. Ähnlich ändert sich der Rahmen bei 640 normalerweise nicht bezüglich des Basisrahmens 648. Wie erwähnt worden ist, können auf Wunsch Gerätegelenke optional bei 632 vorgesehen sein. Um der folgenden Beschreibung willen wird die Position des Rahmens bei 640 bezüglich des Basisrahmens 648 als unveränderlich angenommen. Natürlich würden, falls Gerätegelenkarme bei 632 vorgesehen sind, dann geeignete Sensoren vorgesehen sein, um zu ermöglichen, dass die Position des Rahmens bei 640 bezüglich des Rahmens bei 648 bestimmt wird.
In 13 werden die Versätze, die die Position des Rahmens 648 bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen bestimmen, wie bei 659 angegeben ist, durch eine FKIN-Steuerung 665 gespeist, um die kartesischen Koordinaten des Basisrahmens 648 bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen zu liefern. Ähnlich werden die Versätze bezüglich der Position des Rahmens 640 bezüglich der Position des Basisrahmen 648, wie bei 661 angegeben ist, durch eine FKIN-Steuerung bei 663 gespeist, um die kartesischen Koordinaten des Rahmens 640 bezüglich des Basisrahmen 648 zu liefern. Aus den bei 665, 663 abgeleiteten Werten werden bei 667 die kartesischen Koordinaten des Rahmens 640 bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen bestimmt.
Die Versätze bei 697 bezüglich eines Betrachtungseinrichtungs-Basisrahmens, der in 11 nicht angegeben ist, werden durch eine FKIN-Steuerung bei 669 gespeist, um die entsprechenden kartesischen Koordinaten des Basisrahmens bezüglich des Rahmens 634 zu liefern. Die Betrachtungseinrichtung 202 kann bezüglich des Rests der Station 200 der Bedienungsperson positionsmäßig einstellbar sein. Um zu ermöglichen, dass die Position der Betrachtungseinrichtung bezüglich des Betrachtungseinrichtungs-Basisrahmens bestimmt wird, sind geeignet positionierte Sensoren 671 vorgesehen. Die Sensoranzeigen von diesen Sensoren bei 671 werden bei 673 verarbeitet, um die Gelenk- oder Translationspositionen zu bestimmen, die dann durch eine FKIN-Steuerung bei 675 gespeist werden, um die kartesischen Koordinaten des Betrachtungseinrichtungsrahmens bezüglich des Betrachtungseinrichtungs-Basisrahmens zu liefern. Bei 677 wird die Position des Betrachtungseinrichtungsrahmens in kartesischen Koordinaten bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen aus den bei 669 bzw. 675 abgeleiteten Werten bestimmt.
Die Versätze, die der Position der Augen des Chirurgen bezüglich des Betrach tungseinrichtungsrahmens bei 679 entsprechen, werden durch eine FKIN-Steuerung bei 681 gespeist, um die kartesischen Koordinaten der Position der Augen des Chirurgen bezüglich des Betrachtungseinrichtungsrahmens zu liefern. Bei 683 werden die Werte von 677 und 681 verwendet, um den Rahmen 612 der Augen des Chirurgen bezüglich des Rahmens 634 der Station des Chirurgen zu bestimmen.
Bei 685 werden die Werte von 667 und 683 verwendet, um die Position des Rahmens 640 bezüglich des Augenrahmens 612 zu bestimmen.
Natürlich ändern sich die Position und die Orientierung des Masters bezüglich des Augenrahmens 612 während des Verlaufs einer chirurgischen Prozedur ständig. Die Sensoren am Master 700, die bei 687 angegeben sind, werden durch einen Prozessor 689 gelesen, um die Gelenkposition und -geschwindigkeit des Masters zu bestimmen. Diese Werte der Gelenkposition und -geschwindigkeit werden dann zusammen mit den bei 685 abgeleiteten Werten durch eine FKIN-Steuerung bei 691 gespeist, um die Werte 693, 695 der kartesischen Position und der kartesischen Geschwindigkeit des Masters bezüglich der kartesischen Position und der kartesischen Geschwindigkeit des Master-Rahmens 622 bezüglich des Augenrahmens 612 zu liefern.
Beim Beginn einer chirurgischen Prozedur wird eine Anfangsposition des Masters 700 festgelegt, damit sie einer Anfangsposition des Slaves entspricht. Wenn danach der Master 700 bewegt wird, überwacht das Steuersystem eine derartige Bewegung und befiehlt dem Slave, die Master-Bewegung zu verfolgen. Folglich wird beim Beginn der chirurgischen Prozedur der Rahmen 618 am Slave an der schwenkbaren Verbindung 60 bezüglich seines Bezugssystems 610 am Betrachtungsende 306 des Endoskops 304 in der Anfangsposition auf den Master-Rahmen 622 bezüglich seines Referenz-Augenrahmens 612 in seiner Anfangsposition abgebildet. Ähnlich bildet das System eine anfängliche Orientierung des Rahmens 622 der Kneiferformation mit einer anfänglichen Orientierung des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 ab. Folglich wird außerdem veranlasst, dass die Orientierung des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 der Orientierung des Master-Rahmens 622 folgt. Die Position und die Orientierung des Slaves im Kamerarahmen 610 müssen der Position und der Orientierung des Masters im Augenrahmen 612 nicht identisch entsprechen. Demzufolge können bezüglich der Orientierung und der Position des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 bezüglich des Kamerarahmens 610 Versätze eingeführt werden, um eine beliebige Position und eine beliebige Orientierung des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens zu definieren, die einer Position und einer Orientierung des Master-Rahmens 622 im Augenrahmen 612 entsprechen. Es ist klar, dass das Steuersystem mittels der oben erörterten Rahmen und Versätze die Orientierung und die Position des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 bezüglich des Kamerarahmens 610 leicht bestimmen kann, in denen sie denen des Master-Rahmens bezüglich des Augenrahmens entsprechen. Folglich kann selbst während des Verlaufs einer chirurgischen Prozedur, falls die Steuerung zwischen dem Master und dem Slave unterbrochen wird und das Endoskop bewegt wird oder eines oder beide der chirurgischen Instrumente durch andere Eintrittsöffnungen neu positioniert werden oder die Master-Positionen am Bedienungsplatz des Chirurgen geändert werden oder dergleichen, die Neuabbildung des Slaves bezüglich des Masters in ihren entsprechenden Kamera- und Augenrahmen durch das Steuersystem leicht ausgeführt werden.
Das Steuersystem, das im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 810 angegeben ist, wird nun unter Bezugnahme auf die 14 der Zeichnung ausführlicher beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Teile oder Aspekte zu bezeichnen, wenn es nicht anders angegeben ist.
Wie früher erwähnt worden ist, besitzt die Master-Steuerung 700 Sensoren, z. B. Codierer oder Potentiometer oder dergleichen, die ihr zugeordnet sind, um dem Steuersystem 810 zu ermöglichen, die Position der Master-Steuerung 700 im Gelenkraum zu bestimmen, wie sie auf einer kontinuierlichen Grundlage während des Verlaufs der Ausführung einer chirurgischen Prozedur aus einer Position in eine nächste Position bewegt wird. In 14 sind die Signale von diesen Positionssensoren durch den Pfeil 814 angegeben. Die durch die Sensoren bei 687 gemessenen Positionsanzeigen werden durch den bei 689 angegebenen Prozessor gelesen (siehe 13). Weil die Master-Steuerung 700 mehrere Gelenke enthält, die eines ihrer Armelemente mit dem nächsten verbinden, ist klar, dass ausreichend Positionssensoren am Master 700 vorgesehen sind, um zu ermöglichen, dass die Winkelposition jedes Armelements bezüglich des Armelements, mit dem es verbunden ist, bestimmt wird, um dadurch zu ermöglichen, dass die Position und die Orientierung des Master-Rahmens 622 am Master bestimmt werden. Da die Winkelpositionen eines Armelements bezüglich des Armelements, mit dem es verbunden ist, durch den Prozessor 689 in Reaktion auf die durch den Chirurgen an der Master-Steuerung 700 veranlassten Bewegungen zyklisch gelesen werden, ändern sich die Winkelpositionen kontinuierlich. Bei 689 liest der Prozessor diese Winkelpositionen und berechnet die Rate, mit der sich diese Winkelpositionen ändern. Folglich liest der Prozessor 689 die Winkelpositionen und berechnet die Rate der Winkeländerung oder der Gelenkgeschwindigkeit auf einer kontinuierlichen Grundlage, die der System-Verarbeitungszykluszeit entspricht, d. h. 1300 Hz. Die auf diese Weise bei 689 berechneten Gelenkpositionsund Gelenkgeschwindigkeits-Befehle werden dann in die Vorwärtskinematik-Steuerung (FKIN-Steuerung) bei 691 eingegeben, wie oben bereits beschrieben worden ist.
In der FKIN-Steuerung 691 werden die Positionen und Geschwindigkeiten im Gelenkraum in die entsprechenden Positionen und Geschwindigkeiten im kartesischen Raum bezüglich des Augenrahmens 612 (siehe die 11 und 13) transformiert. Die FKIN-Steuerung 691 ist ein Prozessor, der typischerweise eine Jacobi-Matrix (J) verwendet, um dies auszuführen. Es ist klar, dass die Jacobi-Matrix Winkelpositionen und -geschwindigkeiten in entsprechende Positionen und Geschwindigkeiten im kartesischen Raum mittels herkömmlicher trigonometrischer Beziehungen transformiert. Folglich werden die entsprechenden Positionen und Geschwindigkeiten im kartesischen Raum oder die kartesischen Geschwindigkeits- und Positionsbefehle durch die FKIN-Steuerung 691 berechnet, die den kartesischen Positions- und Geschwindigkeitsänderungen des Master-Rahmens 622 im Augenrahmen 612 entsprechen.
Die Geschwindigkeit und die Position im kartesischen Raum werden in eine bei 820 angegebene kartesische Steuerung und in einen bei 822 angegebenen Skalierungs- und Versatzumsetzer eingegeben.
Die Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie sorgt für eine Maßstabsänderung zwischen der Eingangsbewegung der Master-Steuerung und der Ausgangsbewegung des reagierenden Slaves. Folglich kann ein Maßstab gewählt werden, bei dem z. B. eine 25-mm-Bewegung (1-Zoll-Bewegung) der Master-Steuerung 700 in eine entsprechende 5-mm-Antwortbewegung (1/5-Zoll-Antwortbewegung) im Slave transformiert wird. Im Skalierungs- und Versatzschritt 822 werden die kartesischen Werte der Position und der Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit dem Maßstab skaliert, der ausgewählt worden ist, um die chirurgische Prozedur auszuführen. Falls ein Maßstab von 1:1 ausgewählt worden ist, wird bei 822 na türlich keine Änderung des Maßstabs ausgeführt. Ähnlich werden Versätze berücksichtigt, die die entsprechende Position und/oder die entsprechende Orientierung des Endeinwirkungseinrichtungsrahmens 618 im Kamerarahmen 610 bezüglich der Position und der Orientierung des Master-Rahmens 622 im Augenrahmen 612 bestimmen.
Nachdem bei 822 ein Skalierungs- und Versatzschritt ausgeführt worden ist, werden eine resultierende gewünschte Slave-Position und eine resultierende gewünschte Slave-Geschwindigkeit im kartesischen Raum in einen simulierten oder virtuellen Bereich bei 812 eingegeben, wie durch die Pfeile 811 angegeben ist. Es ist klar, dass die Kennzeichnung des Blocks 812 als ein simulierter oder virtueller Bereich nur der Identifikation dient. Demzufolge wird die im Folgenden beschriebene simulierte Steuerung außerdem durch Elemente außerhalb des Blocks 812 ausgeführt.
Im Folgenden wird der simulierte Bereich 812 ausführlicher beschrieben. Die der gewünschten Geschwindigkeit und der gewünschten Position des Slaves im virtuellen Bereich 812 auferlegten Schritte werden nun jedoch für die Leichtigkeit des Verständnisses der folgenden Beschreibung allgemein beschrieben. Eine aktuelle Position und eine aktuelle Geschwindigkeit des Slaves werden kontinuierlich im virtuellen oder simulierten Bereich 812 überwacht. Die gewünschte Position und die gewünschte Geschwindigkeit des Slaves werden mit der aktuellen Position und der aktuellen Geschwindigkeit des Slaves verglichen. Sollten die gewünschte Position und/oder die gewünschte Geschwindigkeit des Slaves, wie sie von 822 eingegeben werden, keine Überschreitung der Begrenzungen verursachen, z. B. der Geschwindigkeit und/oder der Position und/oder einer Singularität und/oder dergleichen, wie sie im virtuellen Bereich 812 festgelegt sind, werden eine ähnliche kartesische Geschwindigkeit und eine ähnliche kartesische Position des Slaves vom virtuellen Bereich 812 ausgegeben und in einen inversen Skalierungs- und Versatzsumsetzer eingegeben, wie bei 826 angegeben ist. Die vom virtuellen Bereich 812 in den kartesischen Raum ausgegebene ähnliche Geschwindigkeit und Position sind durch die Pfeile 813 angegeben, wobei sie den vom virtuellen Bereich 812 ausgegebenen tatsächlichen Befehlen im Gelenkraum entsprechen, wie durch die Pfeile 815 angegeben ist, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Vom inversen Skalierungs- und Versatzumsetzer 826, der den Skalierungs- und Versatzschritt 822 umgekehrt ausführt, werden die umgekehrte kartesische Position und die umgekehrte kartesische Geschwindigkeit in die kartesische Steuerung bei 820 eingegeben. In der kartesischen Steuerung 820 werden die ursprüngliche kartesische Position und die ursprünglichen kartesischen Geschwindigkeiten, wie sie von der FKIN-Steuerung 691 ausgegeben werden, mit der vom simulierten Bereich 812 eingegebenen kartesischen Position und Geschwindigkeit verglichen. Falls im simulierten Bereich 812 keine Begrenzungen überschritten werden, würden die von der Steuerung 691 eingegebenen Geschwindigkeits- und Positionswerte dieselben wie die vom simulierten Bereich 812 eingegebenen Geschwindigkeits- und Positionswerte sein. In einem derartigen Fall wird durch die kartesische Steuerung 820 ein Nullfehlersignal erzeugt.
In dem Fall, in dem die bei 811 eingegebene gewünschte kartesische Position und Geschwindigkeit des Slaves eine oder mehrere festgelegte Begrenzungen überschreiten würden, werden die gewünschte Werte eingeschränkt, damit sie innerhalb der Grenzen der Begrenzungen bleiben. Folglich würden dann die vom simulierten Bereich 812 zur kartesischen Steuerung 820 weitergeleitete kartesische Geschwindigkeit und Position nicht dieselben wie die Werte von der FKIN-Steuerung 691 sein. In einem derartigen Fall wird ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Werte durch die kartesische Steuerung 820 verglichen werden.
Im Folgenden wird der Typ der Begrenzungen, die der gewünschten kartesischen Position und der gewünschten kartesischen Geschwindigkeit des Slaves auferlegt werden, ausführlicher beschrieben.
Unter der Voraussetzung, dass in der kartesischen Steuerung 820 ein Nullfehler erzeugt wird, wird von der kartesischen Steuerung oder vom kartesischen Umsetzer 820 kein Signal weitergeleitet. In dem Fall, in dem ein Fehlersignal erzeugt wird, wird das Signal durch eine Summationsverbindung 827 zu einer Master-Transponierungs-Kinematiksteuerung 828 weitergeleitet.
Das Fehlersignal wird typischerweise verwendet, um eine kartesische Kraft zu berechnen. Die kartesische Kraft wird typischerweise beispielhaft in Übereinstimmung mit der folgenden Formel berechnet: FCART = K(Δx) + B(Δẋ),wobei K eine Federkonstante ist, B eine Dämpfungskonstante ist, Δẋ die Differenz zwischen den kartesischen Geschwindigkeitseingaben in die kartesische Steuerung 820 ist und Δx die Differenz zwischen den kartesischen Positionseingaben in die kartesische Steuerung 820 ist. Es ist klar, dass für einen Orientierungsfehler ein entsprechendes Drehmoment im kartesischen Raum in Übereinstimmung mit herkömmlichen Verfahren bestimmt wird.
Die kartesische Kraft entspricht einem Betrag, um den sich die gewünschte Position und/oder die gewünschte Geschwindigkeit des Slaves über die Begrenzungen erstreckt, die im simulierten Bereich 812 auferlegt sind. Die kartesische Kraft, die aus einer Geschwindigkeitsbegrenzung, einer Positionsbegrenzung und/oder einer Singularitätsbegrenzung resultieren könnte, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist, wird dann mittels der Master-Transponierungs-Kinematiksteuerung 828, die typischerweise einen Prozessor enthält, der eine transponierte Jacobi-Matrix (J^T) und kinematische Beziehungen verwendet, um die kartesische Kraft in ein entsprechendes Drehmoment im Gelenkraum umzusetzen, in ein entsprechendes Drehmomentsignal umgesetzt. Das auf diese Weise bestimmte Drehmoment wird dann in einen Prozessor bei 830 eingegeben, wodurch geeignete elektrische Ströme für die dem Master 700 zugeordneten Motoren berechnet und an die Motoren geliefert werden. Diese Drehmomente werden dann auf die Motoren ausgeübt, die der Master-Steuerung 700 betriebsmäßig zugeordnet sind. Die Wirkung dessen ist, dass der Chirurg oder die Chirurgin einen Widerstand an der Master-Steuerung empfindet, entweder um sie mit der Rate zu bewegen, mit der er bzw. sie die Master-Steuerung drängt, sich zu bewegen, oder um sie in die Position zu bewegen, in die er bzw. sie die Master-Steuerung drängt, sich zu bewegen. Der Widerstand gegen die Bewegung der Master-Steuerung ist auf das Drehmoment in den Motoren zurückzuführen, die ihr betriebsmäßig zugeordnet sind. Je höher die auf die Master-Steuerung angewendete Kraft ist, um die Master-Steuerung zu drängen, sich in eine Position jenseits der auferlegten Begrenzung zu bewegen, desto höher ist demzufolge die Größe des Fehlersignals und desto höher ist ein entgegenwirkendes Drehmoment in den Motoren, die der Verschiebung der Master-Steuerung in der Richtung dieser Kraft widerstehen. Je höher die dem Master über die Geschwindigkeitsbegrenzung hinaus auferlegte Geschwindigkeit ist, desto höher ist ähnlich das Fehlersignal und desto höher ist das entgegenwirkende Drehmoment in den dem Master zugeordneten Motoren.
Nun wird die Auferlegung der Begrenzungen im simulierten Bereich 812 unter Bezugnahme auf 15 der Zeichnung ausführlicher beschrieben. In 15 werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Teile oder Aspekte zu bezeichnen, wenn es nicht anders angegeben ist.
Die gewünschte kartesische Geschwindigkeit des Slaves wird vom Skalierungs- und Versatzumsetzer 822 durch eine Summationsverbindung bei 832 geleitet. Es ist klar, dass die gewünschte kartesische Geschwindigkeit des Slaves sequentiell mit der Rate des Verarbeitungszyklus des Steuersystems, nämlich 1300 Hz, durch die Summationsverbindung 832 geleitet wird. In der Verbindung 832 wird der gewünschten kartesischen Geschwindigkeit des Slaves ein Fehlersignal auferlegt, wenn die gewünschte Geschwindigkeit eines früheren Signals der gewünschten kartesischen Geschwindigkeit den simulierten Slave angewiesen haben würde, eine oder mehrere Begrenzungen zu überschreiten. Dies wird im Folgenden ausführlicher beschrieben. Falls die frühere gewünschte Slave-Geschwindigkeit keine Überschreitung verursacht haben würde, wäre kein Fehlersignal erzeugt worden, wobei die gewünschte Slave-Geschwindigkeit dann ungeändert durch die Summationsverbindung 832 hindurch gehen würde. Das von der Summationsverbindung 832 weitergeleitete Geschwindigkeitssignal wird als eine kartesische Referenzgeschwindigkeit bezeichnet, wie durch den Pfeil 833 angegeben ist.
Von der Summationsverbindung 832 wird die kartesische Referenzgeschwindigkeit in einen Simulationsblock 834 eingespeist. Die Referenzgeschwindigkeit wird dann im Simulationsblock 834 mit den Begrenzungen verglichen, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die 16 bis 21 der Zeichnung ausführlicher beschrieben wird.
In dem Fall, in dem die Slave-Referenzgeschwindigkeit keine Begrenzung überschreitet, geht die Slave-Referenzgeschwindigkeit ungeändert durch den Simulationsblock 834 hindurch. Im Simulationsblock 834 wird jedoch eine entsprechende simulierte Slave-Gelenkgeschwindigkeit berechnet.
Die simulierte Gelenkgeschwindigkeit wird im Simulationsblock 834 integriert, um eine entsprechende simulierte Gelenkposition zu liefern. Die simulierte Gelenkgeschwindigkeit und -position werden vom Simulationsblock 834 ausgegeben, wie durch die Pfeile 835 angegeben ist.
Die simulierte Gelenkgeschwindigkeit und -position werden dann durch ein Filter bei 838 geleitet. Das Filter 838 ist beschaffen, um das Zittern aus den Geschwindigkeits- und Positionssignalen zu trennen. Es ist klar, dass ein derartiges Zittern aus dem unachtsamen Schütteln der Master-Steuerung resultieren könnte, das an der Master-Steuerung durch den Chirurgen verursacht werden kann. Weil es erwünscht sein würde, derartige Zitterbewegungen aus den tatsächlichen Geschwindigkeits- und Positionssignalen des Slaves zu entfernen, um die Präzisionsbewegung des Slaves in Reaktion auf die Master-Eingabe zu verbessern, wird dieses Zittern mittels des Filters 838 aus den Geschwindigkeits- und Positionssignalen gefiltert. Nach dem Filterungsschritt bei 838 werden die resultierenden Gelenkgeschwindigkeits- und -positionssignale des Slaves zum Slave weiterleitet, wie durch die Pfeile 815 angegeben ist und wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Es ist klar, dass das simulierte Slave-Gelenkpositions- und/oder -geschwindigskeitssignal bei 838 in irgendeiner gewünschten Weise modifiziert werden kann. Typischerweise können die Modifikationen, die keine Rückkopplung zum Master erfordern, bei 838 implementiert sein. Folglich ist der Filterungsschritt 838 nicht notwendigerweise nur auf das Filtern von Zittern aus dem Signal eingeschränkt. Außerdem oder stattdessen kann die Frequenz der Positions- und/oder Geschwindigkeitssignale modifiziert werden, um z. B. eine Resonanz im Slave zu verhindern.
In 15 der Zeichnung. werden die simulierte Gelenkgeschwindigkeit und -position, nachdem sie durch den Simulationsblock 834 hindurchgegangen sind, durch eine FKIN-Steuerung bei 653 geleitet, um die entsprechenden Geschwindigkeiten und Positionen im kartesischen Raum zu berechnen, wie unter Bezugnahme auf 12A der Zeichnung beschrieben ist. Diese Signale werden dann zur kartesischen Steuerung 820 weitergeleitet, wie bereits unter Bezugnahme auf 14 beschrieben worden ist.
In 15 wird das Positionssignal von der FKIN-Steuerung 653 in einen Block für den kartesischen skalierten Fehler bei 844 geleitet. Die vom Skalierungs- und Versatzblock 822 abgeleitete gewünschte kartesische Slave-Position wird außerdem 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 übereinstimmen. Sollten die zwei Signale gleich sein, wenn nämlich das gewünschte Slave-Geschwindigkeitssignal im simulierten Bereich 834 nicht eingeschränkt gewesen ist, wird kein Fehlersignal erzeugt.
In dem Fall, in dem die gewünschte Slave-Geschwindigkeit im Simulationsblock 834 eingeschränkt worden ist, würde die simulierte Gelenkgeschwindigkeitsaus gabe nicht der in den Simulationsblock 834 eingegebenen kartesischen Referenzgeschwindigkeit des Slaves entsprechen. Demzufolge würde nach der Integration im Simulationsblock 834 und der Umsetzung in den kartesischen Raum durch die FKIN-Steuerung 653 die resultierende entsprechende kartesische Position nicht der in den Block 844 für den kartesischen skalierten Fehler eingegebenen ursprünglichen gewünschten kartesischen Slave-Position entsprechen. Demzufolge wird ein Fehlersignal mit einer Größe, die typischerweise durch Subtraktion der resultierenden kartesischen Position von der ursprünglichen gewünschten Position und Multiplikation mit einer geeigneten Konstante bestimmt ist, durch den Block 844 für den kartesischen skalierten Fehler erzeugt. Dieses Fehlersignal wird in der Summationsverbindung 832 dem nächsten gewünschten Slave-Geschwindigkeitssignal auferlegt.
Es ist klar, dass nur das Geschwindigkeitssignal in den Simulationsblock 834 eingegeben wird. Folglich werden die Begrenzungen im Simulationsblock in einer dynamischen Weise auferlegt. Die simulierte Slave-Position verfolgt nicht notwendigerweise gleichzeitig die Master-Position. Dies ist insbesondere der Fall, wenn im Simulationsblock 834 eine Begrenzung auferlegt worden ist. Sollte z. B. eine Geschwindigkeitsgrenze auferlegt worden sein, wenn der Master zu schnell bewegt worden ist, ergibt sich ein Grad des Nacheilens der simulierten Slave-Position, um die Master-Position einzuholen. Demzufolge ergibt sich eine Diskrepanz zwischen den Positionen des Masters und des Slaves. Mittels des bei 844 erzeugten Positionsfehlers wird in der Verbindung 852 eine geeignete Geschwindigkeitssignaländerung verursacht, um eine Positions-"Einhohl"-Funktion am Geschwindigkeitssignal auszuführen. Sollte folglich der Master zur Ruhe gebracht werden, wo ein Positionsfehler erzeugt wird, würde die Geschwindigkeitssignaleingabe in 832 null sein, es würde aber trotzdem eine kartesische Referenzgeschwindigkeit in den Simulationsblock 834 eingegeben, um zu verursachen, dass die simulierte Slave-Position die des Masters einholt.
In 14 der Zeichnung werden das resultierende Slave-Gelenkgeschwindigkeits- und -positionssignal vom simulierten Bereich 812 zu einer Gelenksteuerung 848 geleitet. In der Gelenksteuerung 848 wird das resultierende Gelenkgeschwindigkeits- und -positionssignal mit der aktuellen Gelenkposition und -geschwindigkeit verglichen. Die aktuelle Gelenkposition und -geschwindigkeit werden durch die Sensoren am Slave abgeleitet, wie bei 849 angegeben ist, nachdem sie in einem Eingangsprozessor 851 verarbeitet worden sind, um die aktuelle Position und die aktuelle Geschwindigkeit des Slaves im Gelenkraum zu liefern.
Die Gelenksteuerung 848 berechnet die in den Slave-Motoren gewünschten Drehmomente, um den Slave zu veranlassen, dem resultierenden Gelenkpositions- und -geschwindigkeitssignal zu folgen, wobei seine aktuelle Gelenkposition und -geschwindigkeit berücksichtigt werden. Die so bestimmten Gelenkdrehmomente werden dann zu einem Rückkopplungsprozessor bei 852 und zu einem Ausgangsprozessor bei 854 geleitet.
Die Gelenkdrehmomente werden typischerweise beispielhaft 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 Gelenksteuerung 851 ist und Δθ die Differenz zwischen den Gelenkpositionseingaben in die Gelenksteuerung 851 ist.
Der Ausgangsprozessor 854 bestimmt die elektrischen Ströme, die an die den Slave zugeordneten Motoren zu liefern sind, um die befohlenen Drehmomente zu liefern, wobei er verursacht, dass die Ströme an die Motoren geliefert werden, wie durch den Pfeil 855 angegeben ist.
Vom Rückkopplungsprozessor 852 wird eine Kraftrückkopplung an den Master geliefert. Wie früher erwähnt worden ist, wird eine Kraftrückkopplung am Master 700 bereitgestellt, wann immer im simulierten Bereich 812 eine Begrenzung eingeführt ist. Durch den Rückkopplungsprozessor 852 wird die Kraftrückkopplung direkt vom Slave 798 bereitgestellt, mit anderen Worten, nicht durch einen virtuellen oder simulierten Bereich, sondern durch die direkte Slave-Bewegung. Dies wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Wie früher erwähnt worden ist, ist der bei 798 angegebene Slave mit mehreren Sensoren versehen. Diese Sensoren sind typischerweise betriebsmäßig mit den schwenkbaren Gelenken am Roboterarm 10 und am Instrument 14 verbunden.
Diese Sensoren sind betriebsmäßig mit dem Prozessor bei 851 verbunden. Es ist klar, dass diese Sensoren die aktuelle Slave-Position bestimmen. Sollte der Slave 798 einer externen Kraft unterworfen werden, die groß genug ist, um eine reaktive Bewegung am Slave 798 zu verursachen, werden die Sensoren natürlich eine derartige Bewegung detektieren. Eine derartige externe Kraft könnte von verschiedenen Quellen ausgehen, wie z. B. wenn der Roboterarm 10 unbeabsichtigt gestoßen wird oder an einen anderen Roboterarm 10 oder den Endoskoparm 302 stößt oder dergleichen. Wie erwähnt worden ist, berechnet die Gelenksteuerung 848 die gewünschten Drehmomente, um den Slave 798 zu veranlassen, dem Master 700 zu folgen. Eine externe Kraft auf den Slave 798, die verursacht, dass sich seine aktuelle Position verändert, verursacht außerdem, dass sich die gewünschte Slave-Bewegung, um dem Master zu folgen, verändert. Folglich wird ein verbundenes Drehmoment durch die Gelenksteuerung 848 erzeugt, wobei dieses Drehmoment das Drehmoment, das gewünscht wird, um den Slave zu bewegen, damit er dem Master folgt, und das Drehmoment, das gewünscht wird, um die durch die externe Kraft am Slave verursachte reaktive Bewegung zu kompensieren, enthält. Das durch die Gelenksteuerung 848 erzeugte Drehmoment wird zum Rückkopplungsprozessor bei 852 geleitet, wie bereits erwähnt worden ist. Der Rückkopplungsprozessor 852 analysiert das Drehmomentsignal von der Gelenksteuerung 848 und hebt den Teil des Drehmomentsignals hervor, der aus der äußeren Kraft auf den Slave 798 resultiert. Der hervorgehobene Teil des Drehmomentsignals kann abhängig von den Bedingungen gewählt werden. In diesem Fall wird nur der Teil des Drehmomentsignals bezüglich der Gelenke des Roboterarms 12, 12, 302 hervorgehoben. Das Drehmomentsignal wird, nachdem es in dieser Weise verarbeitet worden ist, zu einem Block 860 für die kinematische Abbildung geleitet, von dem eine entsprechende kartesische Kraft bestimmt wird. Im kinematisch Block 860 werden die Informationen, die die Position des Drehpunkts des Slaves bezüglich des Kamerarahmens bestimmen, von 647 wie angegeben eingegeben. In dieser Hinsicht ist auf 12A der Zeichnung Bezug zu nehmen. Folglich wird die kartesische Kraft leicht bezüglich des Kamerarahmens bestimmt. Die kartesische Kraft wird dann durch einen Verstärkungsschritt bei 862 geeignet weitergeleitet, um die Größe der kartesischen Kraft zu verändern. Die resultierende Kraft im kartesischen Raum wird dann zur Summationsverbindung bei 827 weitergeleitet, wobei sie dann zur Master-Steuerung 700 übertragen wird, wie früher beschrieben worden ist.
Das Bezugszeichen 866 gibt im Allgemeinen einen weiteren direkten Kraftrückkopplungsweg des Steuersystems 810 an, durch den die direkte Kraftrückkopplung zur Master-Steuerung 700 geliefert wird. Der Weg 866 enthält einen oder mehrere Sensoren, die nicht notwendigerweise betriebsmäßig mit den Slave-Gelenken verbunden sind. Diese Sensoren können typischerweise in der Form von Kraft- oder Drucksensoren vorliegen, die am chirurgischen Instrument 14 geeignet positioniert sind, typischerweise an der Endeinwirkungseinrichtung 58. Folglich erzeugt die Endeinwirkungseinrichtung 58, sollte sie einen fremden Körper berühren, wie z. B. das Körpergewebe einer Operationsstelle, ein entsprechendes Signal, das zur Kraft der Berührung proportional ist. Dieses Signal wird durch einen Prozessor bei 868 verarbeitet, um ein entsprechendes Drehmoment zu liefern. Dieses Drehmoment wird zusammen mit den Informationen von 647 zu einem Block 864 für die kinematische Abbildung geleitet, um eine entsprechende kartesische Kraft bezüglich des Kamerarahmens zu liefern. Von 864 wird die resultierende Kraft durch einen Verstärkungsblock bei 870 geleitet und dann zur Summationsverbindung 827 weitergeleitet. Die Rückkopplung wird der Master-Steuerung 700 mittels des Drehmoments auferlegt, das an die Motoren geliefert wird, die der Master-Steuerung 700 betriebsmäßig zugeordnet sind, wie früher beschrieben worden ist. Es ist klar, dass dies mittels irgendwelcher geeigneter Sensoren, wie z. B. Stromsensoren, Drucksensoren, Beschleunigungsmesser, über kurze Entfernungen detektierende Sensoren oder dergleichen, erreicht werden kann.
In einigen Ausführungsformen können die resultierenden Kräfte von der kinematisch Abbildung 864 zu einem Block 864.1 für die alternative Darstellung übertragen werden, um die angewendeten Kräfte dem Chirurgen in einem alternativen Format anzugeben. Die Gesamtkraft kann z. B. in der Form eines auf der Anzeige gezeigten Balkendiagramms dargestellt werden, typischerweise jenseits der Grenze des angezeigten Bildes von der Bildaufnahmeeinrichtung. Alternativ können die auf den Slave ausgeübten resultierenden Kräfte graphisch als ein Kraftvektor gezeigt werden, entweder außerhalb der Bildgrenze auf der Anzeige oder der Slave-Struktur im angezeigten Bild überlagert. Es sind noch weitere Darstellungsalternativen möglich, einschließlich der Verwendung von Falschfarben (z. B. die Änderung der Farbe einer Slave-Komponente in gelb und dann rot, wenn sich die Komponente ihrer maximalen Kraftfähigkeit nähert und sie dann erreicht), oder dem hörbaren Angeben der Kraft auf die Slave-Struktur mit einem Ton, dessen Tonhöhe und/oder Lautstärke größer wird, wie die Kräfte größer werden. Es können zusätzliche taktile Darstellungen der Kraft verwendet werden, z. B. unter Verwendung von Wärme, um die Kraft anzugeben, oder eines Trägheitsaktors, der z. B. mit zunehmender Geschwindigkeit oder Amplitude schwingt, wie die Kräfte zunehmen. Derartige Trägheitsaktoren können Scheinkräfte auf eine Eingangseinrichtung ausüben, wo keine Verbindung die Eingangseinrichtung bezüglich eines festen Bezugssystems trägt, z. B. wenn exoskelettartige Handschuhe verwendet werden, die durch den Arm des Chirurgen getragen werden.
Im Allgemeinen können nicht visuelle Informationen, wie z. B. die Kraft, die durch den Slave erfasst wird, in entsprechenden nicht visuellen Formaten dargestellt werden (d. h. eine Kraft, die die Master-/Slave-Anordnungen widerspiegelt), oder in einer alternativen nicht visuellen Form (z. B. die als Töne oder Wärme dargestellte Kraft). Die durch den Slave erfassten nicht visuellen Informationen können außerdem dem Chirurgen in einem visuellen Format angezeigt werden, wie z. B. unter Verwendung einer Balkengraphik oder eines Kraftvektors, wie oben beschrieben worden ist. Wie die nicht visuellen Informationen hierin verwendet werden, enthalten sie Tastsinninformationen (einschließlich Kraft, Druck, Schwingung, Textur, Wärme und dergleichen), Toninformationen (die unter Verwendung eines Mikrophons des Slaves erfasst werden können), Geruch/Geschmack (wie sie unter Verwendung eines chemischen oder biochemischen Sensors des Slaves erfasst werden können) und dergleichen.
Es sollte außerdem selbstverständlich sein, dass traditionelle graphische Informationen (einschließlich von einer Bildaufnahmeeinrichtung genommener optischer Bilder, Ultraschallbilder, fluoroskopischer Bilder, tomographischer Bilder und dergleichen) sowohl in einem visuellen Format (in der Stereo-Betrachtungseinrichtung oder anderen Anzeigemechanismen) als auch in nicht visuellen Formaten (z. B. unter Verwendung der durch Ultraschall erfassten Informationen, um den Kontakt mit den ausgewählten Geweben zu identifizieren, zu verfolgen und zu vermeiden, indem im simulierten Bereich haptische Wände auferlegt werden) dargestellt werden können. Folglich können die durch den Slave erfassten nicht visuellen Informationen und die durch den Master dargestellten nicht visuellen Informationen eine Vielfalt von Informationen enthalten, die in einer Form für andere Sinne als den Gesichtssinn, einschließlich des Geruchssinns, des Geschmackssinns, des Tastsinns, des Gehörsinns und dergleichen, entweder erfasst und/oder dargestellt werden.
Wie erwähnt worden ist, ermöglicht das Steuersystem 810, dass im Simulationsblock 834 Begrenzungen festgelegt werden. Diese Begrenzungen können so gewählt werden, dass sie den Begrenzungen oder Einschränkungen des mecha nischen Systems entsprechen, und/oder können vorgegeben werden, dass sie den umgebungsempfindlichen Bewegungseinschränkungen an der Operationsstelle entsprechen, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Folglich können die im simulierten Bereich 812 auferlegten Begrenzungen in einem Fall als virtuelle Begrenzungen betrachtet werden, die den tatsächlichen physikalischen Systembegrenzungen entsprechen. Die Begrenzungen im simulierten Bereich 812 werden nicht aus der tatsächlichen Slave-Bewegung, sondern aus der simulierten oder virtuellen Slave-Bewegung abgeleitet. Folglich wird verhindert, dass der Slave eine Begrenzung tatsächlich überschreitet, indem seine Bewegung und seine Geschwindigkeit simuliert werden und die simulierte Bewegung und die simulierte Geschwindigkeit eingeschränkt werden, bevor der tatsächliche Slave angewiesen wird, zu reagieren. Eine im simulierten Bereich 812 festgelegte typische Begrenzung betrifft die Singularitäten des Systems.
Nun wird mittels eines Beispiels einer Singularität in der mechanischen Struktur der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie beschrieben, was mit dem Begriff Singularität gemeint ist. In 2A der Zeichnung ist das Instrument 14, wenn es am Roboterarm 10 angebracht ist, in Richtung des Pfeils P linear verschiebbar, wie bereits erwähnt worden ist. Falls das Instrument 14 so positioniert ist, dass die Endeinwirkungseinrichtung 58 relativ weit vom Drehpunkt 49 entfernt ist und die Master-Steuerung manipuliert wird, um die Antwortbewegungen zu befehlen, kann die reagierende Bewegung des Slaves normalerweise leicht ausgeführt werden. In einem spezifischen festen Abstand vom Drehpunkt 49 besitzt die Endeinwirkungseinrichtung einen Bereich der seitlichen Bewegung, der innerhalb der Grenzen eingeschränkt ist, die durch die Beschränkungen in der mechanischen Struktur des Arms 12 vorgeschrieben sind. Es ist klar, dass der mögliche Bereich der seitlichen Bewegung umso kleiner wird, je näher die Endeinwirkungseinrichtung 58 zum Drehpunkt 49 verschoben wird. Dies kann visualisiert werden, indem ein Kegel abgebildet wird, dessen Scheitelpunkt im Drehpunkt 49 liegt und der sich vom Drehpunkt 49 in einer Abwärtsrichtung in 2A erstreckt. Der Bereich der seitlichen Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung 58 ist auf das Innere des visualisierten Kegels eingeschränkt. Es ist folglich klar, dass z. B. eine seitliche 25-mm-Bewegung (1-Zoll-Bewegung) der Endeinwirkungseinrichtung zur Basis des visualisieren Kegels normalerweise durch die mechanische Struktur des Arms 12 leicht ausgeführt werden kann. Zum Scheitelpunkt des Kegels, mit anderen Worten zum Drehpunkt 49, wird jedoch ein Punkt erreicht, in dem eine seitliche 1-Zoll-Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung 58, zurückzu führen auf die mechanischen Beschränkungen des Arms 12, einfach nicht ausführbar ist. Außerdem wird die Bewegung durch den Roboterarm 12, um die seitliche Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung 58 zu verursachen, radikaler, je näher die Endeinwirkungseinrichtung 58 zum Drehpunkt 49 verschoben wird.
Wenn ein Chirurg oder eine Chirurgin eine chirurgische Prozedur mittels der Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie ausführt, ist er bzw. sie sich normalerweise der Bewegungen des Roboterarms 12 nicht bewusst, weil er bzw. sie die Operationsstelle durch die Betrachtungseinrichtung 202 betrachtet. Demzufolge könnte es geschehen, dass im Verlauf einer chirurgischen Prozedur die Endeinwirkungseinrichtung 58 zu nah zum Drehpunkt verschoben wird, sodass die Master-Eingabe den Roboterarm 12 veranlasst, sich in Reaktion auf die befohlenen Bewegungen der Endeinwirkungseinrichtung zu schnell über entsprechende lange Abstände zu bewegen, wenn nicht eine Vorkehrung dagegen getroffen wird. Das Steuersystem 810 ist beschaffen, um ein Verfahren bereitzustellen, um den Roboterarm daran zu hindern, infolge der oben beschriebenen Singularität in Reaktion auf eine Master-Eingabe eine Bewegung zu schnell oder zu groß auszuführen.
Eine weitere Singularität der mechanischen Struktur des Slaves, insbesondere des chirurgischen Instruments 14, wird nun unter Bezugnahme auf 5 der Zeichnung beschrieben.
Wie erwähnt worden ist, ist die Endeinwirkungseinrichtung 58 um die Achse 14.2 winklig verschiebbar, wie durch die Pfeile 59 angegeben ist. Sollte die Symmetrieachse 60A der Endeinwirkungseinrichtung längs der Achse 14.2 angeordnet sein, wird die Winkelverschiebung der Endeinwirkungseinrichtung um die Achse 60A leicht verursacht. Sollte jedoch die Achse 60A senkrecht zur Achse 14.2 angeordnet sein, ist die Winkelverschiebung der Endeinwirkungseinrichtung 58 um die Achse 60A nicht möglich. Folglich wird einer Singularität näher gekommen, wenn sich die Achse 60A einer Position senkrecht zur Achse 14.2 nähert.
Eine weitere Singularität des Roboterarms 10 kann unter Bezugnahme auf 4 der Zeichnung verstanden werden. Wie bereits erwähnt worden ist, ist der Roboterarm um die Achse 28 winklig verschiebbar, wie durch die Pfeile 26 angegeben ist. Wenn die Achse 14.2 senkrecht zur Achse 28 ist, wird die Bewegung des Arms 10 in der Richtung der Pfeile 26 leicht an der Endeinwirkungseinrichtung 58 verursacht. Wie leicht in 4 bemerkt wird, wird einer Singularität näher gekommen, je näher die Achse 14.2 zu einer Position parallel zur Achse 28 bewegt wird.
Eine weitere typische im simulierten Bereich 812 auferlegte Begrenzung bezieht sich auf die Positionsbeschränkungen der verschiedenen Gelenke.
Eine weitere im simulierten Bereich auferlegte typische Begrenzung ist eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die einer praktikabel mechanisch erreichbaren Slave-Geschwindigkeit entspricht. Natürlich besitzt der Slave eine größere Masse und größere Trägheitsmomente als der Master. Folglich würde dem Slave befohlen, sich in Übereinstimmung mit dem Master zu bewegen, aber mit einer Rate, die, zurückzuführen auf die mechanischen Beschränkungen, durch den Arm 10 nicht praktisch erreichbar ist, sollte der Chirurg den Master zu schnell bewegen oder sollte der Master unbeabsichtigt gestoßen werden, um eine schnelle Bewegung an ihm zu verursachen.
Eine weitere Begrenzung, die der Bewegung des Masters auferlegt werden kann, gilt für Slaves und/oder Werkzeuge, die eingeschränkte Freiheitsgrade besitzen. Während viele Werkzeuge mit vollen sechs Freiheitsgraden und der Betätigung (für das Greifen, das Einschalten der elektrochirurgischen Leistung usw.) versehen sind, besitzen andere Werkzeuge einen eingeschränkteren Bewegungsbereich. Wenn z. B. ein nicht gelenkiges Werkzeug (wie z. B. ein Endoskop oder dergleichen) an einem Manipulator angebracht ist, um eine Endeinwirkungseinrichtung mit fünf oder weniger Freiheitsgraden zu schaffen, kann der Prozessor die Bewegung des Masters in fünf oder weniger entsprechenden Freiheitsgraden innerhalb des Master-Steuerungsarbeitsraumes verhindern. Da der Master und der Slave oft kinematisch unähnlich sind, kann dies mehrere koordinierte Drehmomente der Master-Betätigung umfassen, um einen einzelnen "ausgesperrten" Freiheitsgrad des Slaves zu simulieren.
Wie erwähnt worden ist, können außerdem optional Begrenzungen bezüglich der chirurgischen Umgebungsbeschränkungen verursacht werden, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist.
In 16 der Zeichnung enthält eine Ausführungsform des Simulationsblocks 834 eine modifizierte inverse Jacobi-Steuerung, die durch J-^1* bei 870 angegeben ist. Die modifizierte inverse Jacobi-Steuerung ist beschaffen, um schädliche Wirkun gen zu verhindern, die sich ergeben, wenn einer Singularität näher gekommen wird. Dies wird durch das Modifizieren einer inversen Jacobi-Matrix der Steuerung J-^1* ausgeführt. Die Modifikation der Matrix wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die 2A und 17 der Zeichnung 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, durch L angegeben.
Die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit ẋ im kartesischen Raum bezüglich der Winkelgeschwindigkeit θ . im Gelenkraum wird typischerweise durch die Beziehung ẋ = J.θ .ausgedrückt.
Für die Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie liegt die Jacobi-Matrix typischerweise in der Form einer Matrix mit 6 × 6 Termen vor, um die Koordinaten des Gelenkraums in die entsprechenden kartesischen Koordinaten umzusetzen. Einige der Terme in der Matrix enthalten natürlich einen Multiplikationsfaktor, der gleich L ist. Wenn es erwünscht ist, die Positionen im Gelenkraum zu bestimmen, die den kartesischen Koordinaten entsprechen, wird demzufolge die folgende Beziehung verwendet: θ . = J–1 θ .
Wenn die inverse Jacobi-Matrix in dieser Weise verwendet wird, werden die Terme, die den Multiplikationsfaktor L enthalten, die Terme, die einen Multiplikationsfaktor 1/L besitzen.
Es ist klar, dass sich der Term 1/L unendlich nähert, wie L abnimmt. Diese einer Singularität zugeordnete Eigenschaft ist in 17 schematisch veranschaulicht. Die Länge L ist längs der horizontal verlaufenden Achse angegeben, während der entsprechende Faktor 1/L längs der vertikal verlaufenden Achse angegeben ist. Die parabolischen Linien geben die Beziehung zwischen L und 1/L an. Es ist klar, dass sich die Gelenkgeschwindigkeit unendlich nähert, wie der Wert von L abnimmt, folglich wie die Endeinwirkungseinrichtung näher zum Drehpunkt 49 bewegt wird, wenn die gewünschte Gelenkgeschwindigkeit mittels der kartesischen Geschwindigkeit ẋ bestimmt ist und ein Term den Multiplikationsfaktor 1/L enthält.
Um diese schädlichen Wirkungen zu kompensieren, wenn einer Singularität näher gekommen wird, wird der 1/L-Term in der inversen Jacobi-Matrix durch eine Funktion von L ersetzt, die eine resultierende Beziehung zwischen L und 1/L liefert, wie sie in den gestrichelten Linien in 17 angegeben ist. Die zwei gestrichelten Linien sind angegeben, um verschiedene mögliche Funktionen von L zu zeigen. In ähnlicher Weise wird die inverse Jacobi-Matrix modifiziert, um sich um alle bereits beschriebenen Singularitäten des Systems zu bemühen.
Nun wird abermals unter Bezugnahme auf 16 der Zeichnung der Simulationsblock 834 ausführlicher beschrieben.
Die modifizierte inverse Jacobi-Steuerung, die die Singularitäten berücksichtigt, wie oben beschrieben worden ist, ist durch das Bezugszeichen 870 angegeben. Die Referenzgeschwindigkeit im kartesischen Raum wird eingegeben, wie durch den Pfeil 833 angegeben ist. Nach der Umsetzung in eine resultierende Gelenkgeschwindigkeit durch die Steuerung 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, damit sie innerhalb eines Bereichs zwischen einer vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit V_max und einer vorgegebenen minimalen Geschwindigkeit V_min verbleibt. Diese Maximal- und Minimalwerte sind typischerweise ausgewählt, um die Gelenkgeschwindigkeit innerhalb der Begrenzungen einzuschränken, die den Beschränkungen der mechanischen Struktur des Systems entsprechen. Demzufolge wird bei 876 die Größe 874 der Gelenkgeschwindigkeit verringert, damit sie innerhalb des festgelegten Bereichs liegt, sollte die Eingabe 874 der Gelenkgeschwindigkeit eine Größe besitzen, die größer als die Maximal- und Minimalwerte ist. Folglich gilt:
falls θ . > max θ . = max
falls θ . < (min) θ . = (min),
wobei θ . die Gelenkgeschwindigkeit darstellt, während max eine positive Größe bezeichnet und min eine negative Größe bezeichnet.
Nachdem die Gelenkgeschwindigkeit in dieser Weise eingeschränkt worden ist, wird die Gelenkgeschwindigkeit bei 878 integriert, um eine entsprechende Position im Gelenkraum zu liefern. In einer zum Gelenkgeschwindigkeits-Begrenzungsschritt bei 876 ähnlichen Weise wird die Position bei 880 begrenzt, damit sie innerhalb eines festgelegten Positionsbereichs verbleibt.
Aus 880 wird das resultierende Gelenkpositionssignal zum Filter 838 geleitet, wie durch einen der Pfeile 835 angegeben ist und wie hierin bereits unter Bezugnahme auf 14 beschrieben worden ist. Das resultierende Geschwindigkeitssignal als Ausgabe aus 876 wird zum Filter 838 geleitet, wie durch den anderen Pfeil 835 angegeben ist. Das resultierende Geschwindigkeitssignal wird mit dem Positionssteuerschritt 880 verbunden, wie bei 881 angegeben ist, sodass das Geschwindigkeitssignal zu null gemacht wird, falls die Position eingeschränkt ist.
Wie erwähnt worden ist, werden in dem in 14 angegebenen Simulationsblock 834 Geschwindigkeits-, Positions- und Singularitätsbegrenzungen oder -einschränkungen an die kartesische Referenzgeschwindigkeit angelegt, um eine simulierte Gelenkposition und -geschwindigkeit des Slaves zu liefern. Sollte die in den Simulationsblock 834 eingegebene kartesische Referenzgeschwindigkeit nicht zu einer Überschreitung irgendeiner der für den Slave festgelegten Begrenzungen führen, wird dann natürlich die in den Simulationsblock 834 eingegebene kartesische Referenzgeschwindigkeit ohne irgendeine Auferlegung von Begrenzungen einfach in die entsprechenden Gelenkpositions- und -geschwindigkeitssignale des Slaves übertragen. Die entsprechende Gelenkposition und -geschwindigkeit des Slaves wird dann nach dem Filterungsschritt bei 838 zum Slave weitergeleitet.
Nun werden ein alternativer Simulationsblock 834B und ein weiteres Verfahren zur Auferlegung von Begrenzungen unter Bezugnahme auf 18 der Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Teile zu bezeichnen, wenn es nicht anders angegeben ist.
In 18 und im Simulationsblock 834B wird die kartesische Referenzgeschwindigkeit anfangs in einen Begrenzungsblock bei 902 für die kartesische Position und die kartesische Geschwindigkeit eingegeben. Bei 902 können alle gewünschten Begrenzungen an die Position und die Geschwindigkeit im kartesischen Raum festgelegt werden. Dies kann in einer zu der Weise, in der die Beschränkungen der Gelenkgeschwindigkeit und -position in 16 auferlegt worden sind, ähnlichen Weise ausgeführt werden. Derartige Begrenzungen können gewählt werden, damit sie der spezifischen auszuführenden chirurgischen Prozedur entsprechen. Sollte z. B. die auszuführende chirurgische Prozedur an einer empfindlichen Stelle, wie z. B. nah am Gehirn oder Herz oder dergleichen, stattfinden, können die Begrenzungen festgelegt werden, um die Bewegung der Endeinwirkungseinrichtung innerhalb eines Raums einzuschränken, damit sie den Bereich der Empfindlichkeit nicht berühren kann. Folglich können bei 902 die Begrenzungen maßgeschneidert werden, damit sie den spezifischen Umgebungsbegrenzungen entsprechen, die durch die auszuführende spezifische chirurgische Prozedur definiert werden, um eine unbeabsichtigte Beschädigung an einem empfindlichen Organ oder dergleichen zu vermeiden. Folglich können bei 902 die Position und die Geschwindigkeit des Slaves eingeschränkt werden, damit sie innerhalb der vorgegebenen Begrenzungen verbleiben, die durch die auszuführende chirurgische Prozedur vorgeschrieben sind. Es ist klar, dass derartige von der chirurgischen Umgebung abhängige Begrenzungen im Simulationsblock 834 in 16 und außerdem im bevorzugten Simulationsblock 834A, der unter Bezugnahme auf 20 zu erörtern ist, auferlegt werden können.
Nach dem Begrenzungsschritt bei 902 wird die resultierende kartesische Geschwindigkeit in eine modifizierte inverse Jacobi-Steuerung bei 904 eingegeben. Während der Umsetzung der eingegebenen kartesischen Geschwindigkeit in eine entsprechende Geschwindigkeit im Gelenkraum werden der eingegebenen kartesischen Geschwindigkeit durch die modifizierte Steuerung 904 Begrenzungen auferlegt, um Singularitäten zu berücksichtigen, wie bereits beschrieben worden ist.
Von der modifizierten inversen Jacobi-Steuerung 904 wird die resultierende Gelenkgeschwindigkeit in einen Gelenkpositions- und -geschwindigkeitsblock bei 906 eingegeben. Im Gelenkpositions- und -geschwindigkeitsblock 906 wird die eingegebene Gelenkgeschwindigkeit überwacht, um zu sichern, dass die entsprechenden Geschwindigkeits- und Positionsbefehle an jedes spezifische Gelenk die festgelegten Begrenzungen nicht überschreiten würden, die den tatsächlichen Begrenzungen der Winkelposition und -geschwindigkeit dieses Gelenks entsprechen. Nachdem die Gelenkgeschwindigkeit bei 906 überwacht worden ist und irgendwelche Begrenzungen auferlegt worden sind, wird die resultierende simulierte Gelenkgeschwindigkeit des Slaves ausgegeben, wie durch den Pfeil 835 angegeben ist. Die simulierte Gelenkgeschwindigkeit des Slaves wird außerdem durch einen Integrationsschritt bei 910 gespeist, um die entsprechende simulierte Gelenkposition des Slaves zu liefern.
Die simulierte Gelenkposition für jedes spezifische Gelenk wird zum Gelenkpositions- und -geschwindigkeitsblock 906 und zum modifizierten inversen Jacobi-Block 904 geleitet, wie durch die gestrichelten Linien angegeben ist. Das Positionssignal 835 wird zum modifizierten inversen Jacobi-Block 904 geleitet, um die Transformation aus dem kartesischen Raum in den Gelenkraum zu ermöglichen. Das Positionssignal 835 wird zum Positions- und Geschwindigkeitsblock 906 geleitet, damit bei 906 die Grenzen der Gelenkposition und -geschwindigkeit auferlegt werden können. Dies wird nun unter Bezugnahme auf 19 beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Teile zu bezeichnen, wenn es nicht anders angegeben ist. Es ist klar, dass 19 die Auferlegung von Positions- und Geschwindigkeitsgrenzen auf ein einzelnes Gelenk veranschaulicht. Dasselbe Verfahren der Auferlegung derartiger Positions- und Geschwindigkeitsgrenzen wird für jedes Gelenk bei 906 verwendet.
In 19 ist die Eingabe der Gelenkgeschwindigkeit von der modifizierten inversen Jacobi-Steuerung bei 904 durch den Pfeil 912 angegeben. Die resultierende Geschwindigkeit, nachdem sie durch den Gelenkpositions- und -geschwindigkeitsblock hindurchgegangen ist, wird durch den Pfeil 914 angegeben, während die eingegebene Gelenkposition durch den Pfeil 835 angegeben ist und in gestrichelten Linien gezeigt ist. Das Gelenk, für das durch den in 19 gezeigten Blockschaltplan Positions- und Geschwindigkeitsgrenzen auferlegt werden, besitzt normalerweise physikalische Beschränkungen. Folglich besitzt das Gelenk eine maximale Position, in der die Armelemente, die schwenkbar verbunden sind, sich dadurch in einer maximalen Winkelposition in Bezug aufeinander befinden. Ähnlich besitzt das Gelenk eine minimale Position, in der die Armelemente, die miteinander verbunden sind, sich dadurch in einer minimalen Winkelposition in Bezug aufeinander befinden. Demzufolge besitzt das Gelenk einen Bereich der Winkelverschiebung, der sich zwischen seiner minimalen und maximalen Position erstreckt. Die Winkelgrenzen des Gelenks sind durch die Blöcke 918 bzw. 920 angegeben, wobei der Block 918 die minimale Position angibt, während der Block 19 die maximale Position angibt. Weil dies in einem simulierten Bereich geschieht, können natürlich die Grenzen gewählt werden, damit sie passen. Demzufolge müssen die minimalen und maximalen Winkelposition in 918, 920 nicht notwendigerweise den tatsächlichen physikalischen Positionsgrenzen des Gelenks entsprechen, sondern sie können bei irgendwelchen geeigneten Winkelpositionen innerhalb der Winkelpositionsbereichs-Fähigkeiten des Gelenks gewählt werden.
Die Positionseingabe bei 835 verändert sich normalerweise ständig, wie der Chirurg den Master während des Verlaufs einer chirurgischen Prozedur manipuliert. Die Positionseingabe 835 wird zu den Summationsverbindungen 922, 924 gespeist. An der Verbindung 922 wird die Winkelposition, wie sie bei 835 eingegeben wird, mit der minimalen oder unteren Positionsgrenze verglichen, um einen Winkelwert zu liefern, der der Winkelabweichung der Positionseingabe 835 bezüglich der Grenze 918 entspricht. Folglich wird bei 922 ein Winkelwert, der gleich der Differenz zwischen der Winkelgrenze und der Winkelpositionseingabe 835 ist, bestimmt. Die auf diese Weise bestimmte Winkelabweichung von der unteren Grenze wird dann in einen Geschwindigkeitsbestimmungsblock bei 926 eingespeist. Die Verarbeitungszyklusrate des Steuersystems ist bekannt. Sie beträgt in diesem Fall typischerweise 1300 Hz. Bei 926 wird die Geschwindigkeit, die das Gelenk besitzen muss, um zu bewirken, dass seine Position im nächsten Verarbeitungszyklus mit der unteren Gelenkgrenze 918 übereinstimmt, bestimmt. Dieser Geschwindigkeitswert wird zu einem Entscheidungsblock bei 928 geleitet. Falls die Winkelposition, wie sie bei 835 eingegeben wird, von der unteren Grenze 918 weit entfernt ist, ist natürlich der bei 926 abgeleitete resultierende Geschwindigkeitswert sehr groß und typischerweise physikalisch unerreichbar. Wenn sich jedoch die Winkelabweichung null nähert, nämlich wenn sich die Winkelposition 835 der unteren Grenze 918 nähert, wird die Geschwindigkeitsausgabe aus 926 kleiner als die erreichbare Gelenkgeschwindigkeit, wobei sie null wird, wenn sich die Winkelposition 835 auf der unteren Grenze 918 befindet.
Das Bezugszeichen 930 stellt eine festgelegte Grenze der Gelenkgeschwindigkeit dar. Diese Grenze wird typischerweise in Übereinstimmung mit der annehmbaren Grenze der Gelenkgeschwindigkeit dieses Gelenks gewählt. Diese festgesetzte untere Grenze der Geschwindigkeit wird außerdem in den Entscheidungsblock 928 eingespeist. Bei 928 werden die zwei Gelenkgeschwindigkeiten verglichen, wobei die größte der zwei ausgewählt wird. Es ist klar, dass der größte Wert ausgewählt wird, weil eine Geschwindigkeitsgrenze in einer negativen Richtung betrachtet wird. Folglich ist der größte Wert derselbe wie der kleinste Absolutwert. Der auf diese Weise bestimmte ausgewählte Geschwindigkeitswert definiert die untere Geschwindigkeitsgrenze, wie bei 932 angegeben ist.
Es könnte geschehen, dass das Gelenk jenseits der unteren Positionsgrenze 918 positioniert ist. Dies kann z. B. geschehen, wenn die Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie anfangs aufgebaut wird oder wenn die Positionsgrenzen selektiv geändert werden. In einem derartigen Fall ist es erwünscht, zu veranlassen, dass die Gelenkposition in den Bereich zurückkehrt, der durch die oberen und unteren Grenzen bei 918 bzw. 920 festgelegt ist. Für die untere Grenze der Winkelposition wird dies durch den Block 934 ausgeführt. Durch den Block 934 wird ein konstantes Einschränken der Positionsbewegung über die untere Grenze hinaus ausgeführt. Folglich werden Bewegungen, die veranlassen, dass sich die Winkelposition des Gelenks über die Grenze bewegt, erlaubt, wie der Chirurg den Master manipuliert, sobald aber eine derartige Bewegung stattgefunden hat, ist das Gelenk auf seine neue Position näher an der Grenze eingeschränkt. Der Prozess wird weitergeführt, bis sich die Gelenkposition innerhalb des durch die Werte bei 918 bzw. 920 festgelegten Bereichs befindet.
Es ist klar, dass eine maximale Geschwindigkeit, wie durch das Bezugszeichen 935 angegeben ist, in einer ähnlichen Weise wie die minimale Geschwindigkeit bestimmt wird, wie in 19 der Zeichnung zu sehen ist.
Nun wird unter Bezugnahme auf 20 der Zeichnung ein bevorzugter Simulationsblock 834A beschrieben. In 20 werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Teile oder Aspekte zu bezeichnen, wenn es nicht anders angegeben ist.
In 20 wird die kartesische Referenzgeschwindigkeit eingegeben, wie durch den Pfeil 833 angegeben ist. Die simulierten Gelenkpositionen und -geschwindigkeiten werden bei 835 ausgegeben. Die kartesische Referenzgeschwindigkeit 833 wird zu einem modifizierten vollen inversen Jacobi-Block bei 942 und zu einem Isolationsblock bei 944 geleitet.
Bei 942 wird das kartesische Referenzgeschwindigkeitssignal 833 in ein entsprechendes Gelenkgeschwindigkeitssignal 946 transformiert. Der modifizierte volle inverse Jacobi-Block 942 berücksichtigt die Singularitäten, wie bereits unter Bezugnahme auf 904 in 18 beschrieben worden ist.
In der erörterten Vorrichtung für die minimal invasive Chirurgie enthält der modifizierte volle inverse Jacobi-Block typischerweise eine Matrix mit sechs mal sechs Termen. Nach der Transformation im Block 942 wird das resultierende Gelenkge schwindigkeitssignal zu einem Isolationsblock 948 geleitet. Im Isolationsblock 948 werden die Terme bezüglich der Gelenke der Handgelenke, wie in 5 der Zeichnung angegeben ist, von den Termen bezüglich der Gelenke am Roboterarm 12 isoliert, wie in 2A und 2B angegeben ist. Nach der Isolation bei 948 werden die Geschwindigkeiten der Gelenke der Handgelenke zu einem Block bei 950 zur Begrenzung der Gelenkgeschwindigkeit und -position der Handgelenke weitergeleitet.
Bei 950 werden die Grenzen der Gelenkgeschwindigkeit der Handgelenke jedem Gelenk der Handgelenke in einer zu dem Verfahren, das oben unter Bezugnahme auf 19 beschrieben worden ist, ähnlichen Weise auferlegt. Für die Gelenke der Handgelenke, nämlich die Gelenke, die die drei Freiheitsgrade der Bewegungen der Endeinwirkungseinrichtung 58 bereitstellen, werden jedoch die Begrenzungen anstatt auf einer gelenkweisen Grundlage gleichzeitig auferlegt. Dies wird nun unter Bezugnahme auf 21 beschrieben.
In 21 werden die Grenzen für jedes Gelenk in einer Weise bestimmt, die zu der ähnlich ist, die unter Bezugnahme auf 19 beschrieben ist. Wie bei 970 angegeben ist, werden jedoch die Begrenzungen verwendet, um eine entsprechende Geschwindigkeitsbegrenzung für die drei Gelenke zusammen zu definieren, wie durch den Kasten 972 angegeben ist. Demzufolge wird eine mehrdimensionale Begrenzung der Gelenkgeschwindigkeit, in diesem Fall eine dreidimensionale Begrenzung der Gelenkgeschwindigkeit, geschaffen.
Das bei 951 eingegebene Gelenkgeschwindigkeitssignal wird mit der mehrdimensionalen Begrenzung der Gelenkgeschwindigkeit bei 970 verglichen. Sollte das eingegebene Geschwindigkeitssignal 951 völlig im Inneren der Begrenzung liegen, wird es durch die Begrenzung nicht verändert. In einem derartigen Fall ist das ausgegebene Geschwindigkeitssignal 952 dasselbe wie das eingegebene Geschwindigkeitssignal 951. Sollte jedoch das eingegebene Geschwindigkeitssignal 951 außerhalb der Begrenzung liegen, wählt der Begrenzungsblock bei 970 die ausgegebene Geschwindigkeit 952 entsprechend einem Kriterium, das nun beschrieben wird.
Ein Gelenkgeschwindigkeitsfehler zwischen dem eingegebenen Geschwindigkeitssignal 951 und der ausgewählten ausgegebenen Geschwindigkeit 952 ist definiert, wie bei 974 veranschaulicht ist. Der Gelenkgeschwindigkeitsfehler wird unter Verwendung einer Jacobi-Matrix bei 976 in einen kartesischen Geschwindigkeitsfehler transformiert. Es ist klar, dass die Jacobi-Matrix bei 976 die Kinematik der Gelenke der Handgelenke beschreibt, die die Drehpunkte 54, 60 und die Achse 14.2 in 5 enthalten. Die Größe des kartesischen Geschwindigkeitsfehlers wird dann bei 978 bestimmt.
Das Kriterium für die Auswahl der durch den Begrenzungsblock 970 ausgegebenen Geschwindigkeit 952 ist die Abhängigkeit von der mehrdimensionalen Begrenzung und die Minimierung der Größe des kartesischen Geschwindigkeitsfehlers.
In 20 der Zeichnung stellt die Ausgabe 952 aus dem Begrenzungsblock 950 ein kombiniertes Gelenkgeschwindigkeitssignal dar, das die Gelenkgeschwindigkeiten an den Gelenken oder Drehpunkten 54, 60 und die Gelenkgeschwindigkeit um die Achse 14.2 in 5 der Zeichnung enthält, nachdem die Begrenzungen bezüglich der Geschwindigkeit, der Position und der Singularitäten auferlegt worden sind.
Im Isolationsblock 944 werden die Terme der kartesischen Translationsgeschwindigkeit vom kartesischen Referenzgeschwindigkeitssignal 833 isoliert. Die isolierten Terme entsprechen den kartesischen Geschwindigkeitsbefehlen, die an die Gelenke am Roboterarm 12 gerichtet sind. Nach der Isolation wird das kartesische Referenzgeschwindigkeitssignal nur für die äußeren Gelenke zu einem Einstellungsblock bei 954 weitergeleitet.
In dem Fall, in dem das Signal der Gelenkgeschwindigkeit der Handgelenke in einem oder beiden der Blöcke 942, 950 eingeschränkt worden ist, kann die Geschwindigkeit der äußeren Gelenke bei 954 angepasst werden. Dies wird nun ausführlicher und unter Bezugnahme auf 5 der Zeichnung beschrieben.
Es ist klar, dass ein Befehl in der Master-Steuerung 700, der sich nur auf eine Orientierungsänderung der Endeinwirkungseinrichtung 58 bezieht, nicht nur zu einer reagierenden Winkelbewegung um die Drehpunkte 54, 60 und um die Achse 14.2 führen kann, sondern außerdem zu einer Antwortbewegung der äußeren Gelenke. Dies ist infolge der strukturellen Unähnlichkeiten zwischen dem Master und dem Slave so. Folglich ist es manchmal erwünscht, dass sich die äußeren Gelenke des Slaves ebenfalls bewegen, damit der Slave eine Orientierungsbewe gung ausführt, die einer Orientierungsbewegung des Masters entspricht.
Demzufolge ist es in dem Fall, in dem Grenzen der Gelenkgeschwindigkeit der Handgelenke auferlegt worden sind, erwünscht, die Geschwindigkeit des äußeren Gelenks oder die Translationsgeschwindigkeit in dem Ausmaß anzupassen, in dem die Geschwindigkeit des äußeren Gelenks einen Teil der Orientierungsbeschränkung des Handgelenks bildet. Dies wird bei 954 ausgeführt.
Das resultierende, möglicherweise angepasste, kartesische Translationsgeschwindigkeitssignal wird dann zu einem modifizierten inversen Jacobi-Translationsblock bei 956 weitergeleitet. Bei 956 wird das Signal in ein entsprechendes Geschwindigkeitssignal im Gelenkraum umgesetzt. Die modifizierte inverse Jacobi-Matrix bei 956 berücksichtigt die Singularitäten des Drehpunkts 49 und die Singularitäten der maximalen Roboterarm-Neigung, wie bereits unter Bezugnahme auf 4 beschrieben worden ist. Das Geschwindigkeitssignal im Gelenkraum von 956 wird dann zu einem Begrenzungsblock bei 958 weitergeleitet. Bei 958 werden dem Signal Positions- und Geschwindigkeitsbegrenzungen in einer Weise auferlegt, die zu der ähnlich ist, die bereits unter Bezugnahme auf 19 der Zeichnung und für jedes äußere Gelenk beschrieben worden ist.
Das endgültige Geschwindigkeitssignal des Gelenks der Handgelenke und das endgültige Geschwindigkeitssignal der äußeren Gelenke 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 in die Blöcke 942, 950, 954, 956 und 958 eingespeist, um die gewünschten Berechnungen zu ermöglichen.
Während diese Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, ist es für die Fachleute auf dem Gebiet selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen der Form und der Einzelheiten an ihr vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Während die Erfindung die Verwendung von kartesischen Koordinatensystemen beschreibt, kann die Erfindung z. B. außerdem Anwendungen finden, die Polar koordinatensysteme, Zylinderkoordinatensysteme oder dergleichen ausnutzen. Folglich ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt.

Claims

Chirurgisches Robotersystem, das aufweist: eine Haupt- bzw. Mastersteuerung (700), die eine Eingangseinrichtung (200) aufweist, die innerhalb eines Steuerungsarbeitsraumes beweglich ist; einer Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798), der eine chirurgische Endeinwirkungseinrichtung (14) und zumindest einen Aktor hat, der betriebsmäßig an die Endeinwirkungseinrichtung angekoppelt ist, wobei der Aktor die Endeinwirkungseinrichtung in einem chirurgischen Arbeitsraum in Reaktion auf Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale bewegt; ein Abbildungssystem, das eine Bildaufnahmeeinrichtung (304) mit einem Blickfeld enthält, das in dem chirurgischen Arbeitsraum bewegbar ist, wobei das Abbildungssystem zustandsvariable Signale erzeugt, die das Blickfeld anzeigen; und einen Prozessor (810), der die Haupt- bzw. Mastersteuerung an den Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm ankoppelt, wobei der Prozessor die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale durch kartographieren der Eingangseinrichtung in dem Steuerungsarbeitsraum mit der Endeinwirkungseinrichtung in dem chirurgischen Arbeitsraum gemäß einer Transformation erzeugt; dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (810) die Transformation in Reaktion auf die zustandsvariablen Signale des Abbildungssystems erhält, und falls die Bildaufnahmeeinrichtung (304) bewegt wird, und ein anderes Blickfeld durch die zustandsvariablen Signale angezeigt wird, der Prozessor (810) eine weitere Transformation durch Neu- bzw. Wiederkartographierung der Eingangseinrichtung (200) mit der Endeinwirkungseinrichtung (14) erhält.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 1, wobei die Bildaufnahmeeinrichtung (304) sich unabhängig von der Slave- bzw. dem Hilfseinrichtung (798) bewegt.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 2, wobei der Prozessor (810) die Transformation so erhält, dass ein Bild von der Endeinwirkungseinrichtung (14) in der Anzeige im Wesentlichen angeschlossen an die Eingangseinrichtung (200) in dem Steuerungsarbeitsraum erscheint.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 1, wobei die Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798) zustandsvariablen Signale in Reaktion auf eine Position der Endeinwirkungseinrichtung (14) in dem chirurgischen Arbeitsraum erzeugt, wobei der Prozessor (810) die Transformation unter Verwendung der zustandsvariablen Signale der Slave- bzw. des Hilfseinrichtung (798) erhält.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 4, wobei der Prozessor (810) eine Position und Orientierung der Eingangseinrichtung (200) in dem Haupt- bzw. Mastersteuerungsraum von zustandsvariablen Signalen der Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) bestimmt, wobei der Prozessor (810) eine Position und Orientierung der Endeinwirkungseinrichtung (14) in dem chirurgischen Arbeitsraum von den zustandsvariablen Signalen der Slavebzw. Hilfseinrichtung (798) bestimmt, und wobei der Prozessor die Slave- bzw. Hilfseinrichtungssignale durch Vergleichen der Position und Orientierung in der Eingabeeinrichtung (200) und der Endeinwirkungseinrichtung (14) in dem kartographierten Raum erzeugt.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 4, wobei die Slave- bzw. der Hilfseinrichtung einen längs erstreckten Schaft bzw. Stab (14.1) aufweist, der die Endeinwirkungseinrichtung (14) trägt, wobei die Bildaufnahmeeinrichtung ein Endoskop (304) aufweist, das ein distales Ende hat, und wobei der Prozessor die Transformation erhält, wenn der Schaft bzw. der Stab (14.1) und das Endoskop (304) in den chirurgischen Ort durch willkürliche minimal invasive Eingriffsorte eingeführt werden, so dass die Endeinwirkungseinrichtung (14) und das distale Ende des Endoskops (304) durch Schwenken des Schaftes bzw. des Stabes (14.1) und des Endoskops (304) um die Eingriffsorte bewegt werden.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 1, wobei das Abbildungssystem eine Verbindung aufweist, die beweglich die Bildaufnahmeeinrichtung (304) trägt, wobei die Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798) eine Verbindung aufweist, die die Endeinwirkungseinrichtung (14) beweglich trägt, wobei die Verbindungen Gelenke aufweisen und die zustandsvariablen Signale Gelenkkonfigurationssignale aufweisen, wobei die Verbindungen so gekoppelt sind, dass der Prozessor (810) die Transformation in Reaktion auf Gelenkkonfigurationssignale erhält, so dass die Bewegung von einem Bild der Endeinwirkungs einrichtung (14) in der Anzeige im Wesentlichen an die Eingabeeinrichtung (200) in dem Arbeitsraum angeschlossen erscheint.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 7, wobei die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsverbindung an eine Slave- bzw. Hilfseinrichtungsbasis (300) angebaut ist und wobei die Abbildungssystemverbindung mechanisch an die Basis (300) der Slave- bzw. Hilfseinrichtung angekoppelt ist.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 7, wobei die Abbildungssystemverbindung an der Basis (300) der Slave- bzw. Hilfseinrichtung montiert ist und wobei die Basis (300) der Slave- bzw. Hilfseinrichtung Räder hat, um die Endeinwirkungseinrichtungsverbindung und die Bildaufnahmeeinrichtung (304) zu transportieren.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 1, wobei die Slave- bzw. Hilfseinrichtung einen Werkzeughalter und ein abnehmbar mit dem Werkzeughalter verbundenes Werkzeug aufweist, wobei das Werkzeug die Endeinwirkungseinrichtung (14) und zumindest ein Gelenk enthält, wobei das chirurgische Robotersystem ferner mehrere alternative kinematisch unähnliche chirurgische Werkzeuge aufweist, die alternative chirurgische Endeinwirkungseinrichtung (14) haben, wobei die alternativen Werkzeuge an dem zumindest einen Werkzeughalter anstelle des Werkzeuges montierbar sind, wobei der Prozessor (810) dazu in der Lage ist, die Transformation in Reaktion auf ein Werkzeugwechselsignal zu ändern.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 1, das ferner mehrere Slave- bzw. Hilfseinrichtungen (798) aufweist, wobei die Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) wahlweise mit den Slave- bzw. Hilfseinrichtungen (798) in Reaktion auf eine Slave- bzw. Hilfseinrichtung verknüpfbar ist, wobei der Prozessor (810) die Transformation in Reaktion auf das Slave- bzw. Hilfseinrichtungsauswählsignal ändert, so dass die Bewegung eines Bildes der Endeinwirkungseinrichtung (14) der ausgewählten Slave- bzw. Hilfseinrichtung, wie sie in der Anzeige gezeigt wird, im Wesentlichen zu der Bewegung der Eingabeeinrichtung (200) in dem Arbeitsraum entspricht.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 1, wobei der Prozessor die Transformation in Realzeit erhält.
Chirurgisches Robotersystem, das aufweist: eine Haupt- bzw. Mastersteuerung (700), die eine Eingangseinrichtung (200) aufweist, die innerhalb eines Steuerungsarbeitsraumes beweglich ist; einen Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798), die eine chirurgische Endeinwirkungseinrichtung (14) und zumindest einen Aktor hat, der betriebsmäßig an die Endeinwirkungseinrichtung angekoppelt ist, wobei der Aktor die Endeinwirkungseinrichtung in einem chirurgischen Arbeitsraum in Reaktion auf Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale bewegt; ein Abbildungssystem, das eine Bildaufnahmeeinrichtung (304) mit einem Blickfeld enthält, das in dem chirurgischen Arbeitsraum bewegbar ist, wobei das Abbildungssystem ein Bild zu einer Anzeige überträgt; und ein Prozessor (810), der die Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) an den Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarm (798) ankoppelt; wobei der Prozessor (810) die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale durch Kartographierung der Eingabeeinrichtung (200) in dem Steuerungsarbeitsraum mit der Endeinwirkungseinrichtung (14) in dem chirurgischen Arbeitsraum gemäß zu einer Transformation erzeugt; dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (810) die Transformation so erhält, dass ein Bild der Endeinwirkungseinrichtung (14) in der Anzeige im Wesentlichen verbunden mit der Eingabeeinrichtung in dem Arbeitsraum erscheint; und falls die Bildaufnahmeeinrichtung (304) bewegt wird, ein anderes Blickfeld anzeigt, wobei der Prozessor (810) eine weitere Transformation erhält, um die Eingabeeinrichtung (200) mit der Endeinwirkungseinrichtung (14) neu zu kartographieren.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 13, wobei die Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) eine Verbindung aufweist, die die Eingabeeinrichtung (200) trägt, und wobei die Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798) eine Verbindung aufweist, die die Endeinwirkungseinrichtung (14) trägt, wobei die Master- bzw. Hauptverbindung und die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsverbindung kinematisch unähnlich sind.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 14, wobei Gelenke der Haupt- bzw. Masterverbindung und Gelenke der Slave- bzw. Hilfseinrichtungsverbindung verschiedene Freiheitsgrade haben.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 13, wobei Gelenke der Master- bzw. Hauptverbindung und Gelenke der Slave- bzw. Hilfseinrichtungsverbindung verschiedene Orte in dem kartographierten Raum definieren.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 13, wobei: die Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798) eine Verbindung mit mehreren Gelenken aufweist, die die Endeinwirkungseinrichtung tragen, wobei Aktoren an die Gelenke so angekoppelt sind, um einen starren Schaft bzw. Stab der Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798) um einen ersten willkürlichen minimal invasiven Eingriff zu schwenken und die Endeinwirkungseinrichtung (14) in Reaktion auf Slave- bzw. Hilfseinrichtungsmotorsignale zu bewegen; und wobei das Abbildungssystem Aktoren und eine Verbindung aufweist, die die Bildaufnahmeeinrichtung (304) trägt, die die Verbindung hat, die mehrere Gelenke aufweist, wobei die Aktoren an die Gelenke angekoppelt sind, um das Blickfeld innerhalb des chirurgischen Arbeitsraumes zu bewegen, wenn ein starrer Schaft bzw. Stab der Bildaufnahmeeinrichtung (304) sich durch einen zweiten willkürlichen minimal invasiven Eingriff erstreckt.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 13, wobei zumindest eines von der Slavebzw. Hilfseinrichtung (798) der Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) und dem Abbildungssystem eine Verbindung aufweist, die einen abnehmbaren Anschluss hat, der zwischen Gelenken angeordnet ist, um so einen ersten Verbindungsabschnitt zu definieren, der an eine Basis angesetzt ist, und einen zweiten Verbindungsabschnitt, der an den ersten Verbindungsabschnitt angesetzt ist, wobei die Verbindungsabschnitte ein erstes und ein zweites Koordinatenbezugssystem definieren, wobei der Prozessor (810) die Transformation indirekt von einem ersten Verhältnis des ersten Koordinatensystems zu der Basis des ersten Verbindungssystems und von einem zweiten Verhältnis des zweiten Koordinatensystems zu dem ersten Koordinatensystem erhält.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 13, wobei der Prozessor (810) die Transformation in Reaktion auf ein Signal berechnet, das zumindest einen Teilnehmer der Gruppe anzeigt, die besteht aus einer Bewegung der Kamera, einer Entkopplung und Neupositionierung von einem von der Mastereinrichtung und der Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798) relativ zueinander, einem Werkzeugwechsel, der eine andere Endeinwir kungseinrichtung an der Slave- bzw. Hilfseinrichtung montiert, einer Änderung des Maßstabes der Kartographierung, einer manuellen Bewegung eines passiven Gelenks der Mastereinrichtung oder der Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798) und einer Verknüpfung der Mastereinrichtung mit einer alternativen Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798).
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 13, wobei die Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798) nicht visuelle sensorische Informationen bei dem chirurgischen Arbeitsraum erfasst, wobei die Master- bzw. Hauptsteuerung (700) die nicht visuellen Informationen einen Chirurgen präsentiert, der die Eingabeeinrichtung (304) manipuliert.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 20, wobei die Anzeige eine graphische Darstellung der nicht visuellen Informationen zeigt.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 20, wobei die nicht visuellen Informationen eine Kraft aufweisen, die der Endeinwirkungseinrichtung (14) zugeführt wird.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 22, wobei die Anzeige die Kraft als einen Teilnehmer repräsentiert, der von der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Balkendiagramm, einem Graphvektor und einer Farbe einer Endeinwirkungseinrichtung besteht.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 20, wobei die nicht visuellen Informationen eine Kraft aufweisen, die an die Endeinwirkungseinrichtung (14) angelegt wird, und wobei die Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) einen Geräuschgenerator aufweist, wobei der Geräuschgenerator ein Geräusch erzeugt, das sich in Reaktion auf die Kraft ändert.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 13, wobei die Master- bzw. Hauptsteuerung (700) nicht visuelle sensorische Informationen einem Chirurgen darstellt, der die Eingabeeinrichtung (200) manipuliert.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 25, wobei die Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) die nichtvisuellen Informationen mit einer Orientierung darstellt, die zu dem Bild korreliert ist.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 25, wobei die Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) mehrere Aktoren aufweist, wobei die Aktoren eine Tastrückkopplung zu dem Chirurgen zur Verfügung stellen, der die Eingabeeinrichtung in Reaktion auf Master- bzw. Hauptaktorsignale manipuliert, die durch den Prozessor (810) erzeugt werden.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 27, wobei die Aktoren Lasten gegenüber der Eingabeeinrichtung in Reaktion auf die Master- bzw. Hauptaktorsignale anlegen, und wobei der Prozessor die Haupt- bzw. Masteraktorsignale in Reaktion auf einen Vergleich zwischen einer Position und einer Orientierung der Endeinwirkungseinrichtung und einer Position und Orientierung der Eingabeeinrichtung in dem kartographierten Raum erzeugt.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 26, wobei die nicht visuellen Informationen Kräfte und Drehmomente anzeigen, die an die Slave- bzw. Hilfseinrichtung angelegt sind.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 29, wobei die nicht visuellen Informationen Kräfte und Drehmomente aufweisen, die über die Eingabeeinrichtung an die Hand des Chirurgen angelegt werden, so dass die Eingabeeinrichtungskräfte und -drehmomente im Wesentlichen den Slave- bzw. Hilfseinrichtungskräften und -drehmomenten gemäß dem Bild der Slave- bzw. Hilfseinrichtung, die in der Anzeige gezeigt wird, entsprechen.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 29, wobei eine Korrelation zwischen den nichtvisuellen Informationen und dem Bild durch die Steuerung überarbeitet wird, wenn die Transformation überarbeitet wird.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 13, wobei der Prozessor die Slave- bzw. Hilfseinrichtungssignale so erzeugt, dass zumindest ein Winkel, der von der Gruppe ausgewählt wird, die eine Änderung der winkelmäßigen Orientierung und einen Winkel der Translation der Endeinwirkungseinrichtung innerhalb von 5° des zumindest einen Winkels der Eingabeeinrichtung verbleibt.
Chirurgisches Robotersystem nach Anspruch 32, wobei eine Bewegung einer Eingabeeinrichtung (200) einen Eingabebewegungsabstand definiert, und wobei das Bild der Endeinwirkungseinrichtung (14) einen Ausgangsbewegungsabstand in Reaktion zu dem Ein gabebewegungsabstand bewegt, wobei der Ausgangsbewegungsabstand sich wesentlich von dem Eingangsbewegungsabstand unterscheidet.
Chirurgisches Robotersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche: wobei die Eingabeeinrichtung (200) einen Griffsensor hat, um mit einer Hand eines Chirurgen gedrückt bzw. gequetscht zu werden, wobei der Griffsensor eine Griffschwenkung bzw. -drehung definiert; wobei die Endeinwirkungseinrichtung der Slave- bzw. Hilfseinrichtung (798) durch eine Verbindung des Slave- bzw. Hilfseinrichtungsarmes, der Aktoren hat, die an die Verbindung angekoppelt sind, um die Endeinwirkungseinrichtung (14) in Reaktion auf Slavebzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale zu bewegen, getragen wird, wobei die Endeinwirkungseinrichtung (14) Backen bzw. Klemmbacken mit einem Backen- bzw. Klemmbackendreh- bzw. Schwenkgelenk hat; in welchem der Prozessor (810) Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale in Reaktion auf Bewegung der Eingabeeinrichtung erzeugt, so dass die Backen bzw. Klemmbacken Dreh- bzw. Schwenkgelenke in der Anzeige im Wesentlichen mit der Griffdrehung bzw. -schwenkung verbunden erscheinen.
Chirurgisches Robotersystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 33, wobei die Eingabeeinrichtung (200) erste und zweite Griffabschnitte enthält, um mit ersten und zweiten Stellen einer Hand eines Bedieners in Wechselbeziehung zu treten; wobei die Endeinwirkungseinrichtung (14) der Slave- bzw. Hilfseinrichtung erste und zweite Endeinwirkungselemente enthält; und in welchem der Prozessor (810) die Slave- bzw. Hilfseinrichtungsaktorsignale so erzeugt, dass eine Bewegung der ersten und zweiten Griffabschnitte im Wesentlichen eine Bewegung der ersten und zweiten Endeinwirkungseinrichtungselemente kartographiert.
Chirurgisches Robotersystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 33, in welchem: die Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) einen Griff hat, wobei der Griff den Arbeitsraum der Master- bzw. Hauptsteuerung bewegt; und der Prozessor (810) erzeugt die Slave- bzw. Hilfseinrichtungbetätigungssignale, so dass eine Bewegung eines kartographierten Punktes entlang dem Griff der Haupt- bzw. Mastersteuerung (700) im Wesentlichen eine Bewegung eines Kartographierungspunktes entlang der Endeinwirkungseinrichtung (14) kartographiert, wobei der Prozessor (810) dazu in der Lage ist, zumindest einen von dem Griffkartographierungspunkt und dem Kartographierungspunkt der Endeinwirkungseinrichtung zu ändern.