DE20010529U1 - Control system for an operating robot - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem für den Bewegungsablauf eines Werkzeuges eines Operationsroboters für chirurgische Operationen mit einer Steuerung, die in Abhängigkeit von einem die geometrischen Abmessungen des Werkzeuges wiedergebenden Datensatz an die Geometrie des Werkzeuges angepaßte Bewegungssignale erzeugt.The invention relates to a control system for the movement sequence of a tool of a surgical robot for surgical operations with a control which generates movement signals adapted to the geometry of the tool as a function of a data set representing the geometric dimensions of the tool.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Operationsroboter für chirurgische Operationen mit einer Steuerung für den Bewegungsablauf eines Werkzeuges.Furthermore, the invention relates to a surgical robot for surgical operations with a control for the movement sequence of a tool.
Bei chirurgischen Operationen wird in vermehrtem Umfang der Bewegungsablauf eines motorisch angetriebenen Werkzeuges, beispielsweise eines Bohrers, eines Fräsers oder einer Säge, von einem Operationsroboter erzeugt, der eine Steuerung aufweist, die den Roboter und damit das an ihm gehaltene Werkzeug so bewegt, daß das Werkzeug ein Substrat, beispielsweise einen Knochen, exakt gemäß der gewünschten Form bearbeitet.In surgical operations, the movement sequence of a motor-driven tool, for example a drill, a milling cutter or a saw, is increasingly generated by a surgical robot, which has a control system that moves the robot and thus the tool held on it in such a way that the tool processes a substrate, for example a bone, exactly according to the desired shape.
Um hier eine möglichst genaue Bearbeitung zu erzielen, ist es notwendig, Werkzeuge zu verwenden, deren geometrische Abmessungen exakt den Abmessungen entsprechen, die in der Steuerung für dieses spezielle Werkzeug ge-In order to achieve the most precise machining possible, it is necessary to use tools whose geometric dimensions correspond exactly to the dimensions specified in the control system for this specific tool.
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speichert sind und die von der Steuerung verwendet werden, um die Bewegungsbahn des Werkzeuges zu steuern.stored and used by the controller to control the tool's trajectory.
In der Praxis kann damit allerdings eine höchstmögliche Genauigkeit nicht erzielt werden, da die Werkzeuge, einerseits bedingt durch die Herstellung und andererseits bedingt durch mögliche Abnutzung, geometrische Abmessungen aufweisen, die von denen abweichen, die als Datensatz in der Steuerung des Operationsroboters gespeichert sind. Dadurch ergeben sich ungenaue Bearbeitungsvorgänge am Substrat.In practice, however, the highest possible precision cannot be achieved because the tools have geometric dimensions that differ from those stored as a data set in the control system of the surgical robot, partly due to their manufacture and partly due to possible wear. This results in inaccurate machining processes on the substrate.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Steuerungssystem der eingangs beschriebenen Art die Genauigkeit des Bewegungsablaufes von Werkzeugen zu verbessern, die von einem Operationsroboter bewegt werden.It is an object of the invention to improve the accuracy of the movement sequence of tools that are moved by a surgical robot in a control system of the type described above.
Die beschriebene Aufgabe wird bei einem Steuerungssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dieses Steuerungssystem folgende Einrichtungen umfaßt:The described object is achieved according to the invention in a control system of the type described at the outset in that this control system comprises the following devices:
eine Meßeinrichtung, welche die tatsächliche Geometrie des Werkzeuges ermittelt und daraus einen Datensatz erzeugt,a measuring device which determines the actual geometry of the tool and generates a data set from it,
eine Codiereinrichtung, die eine dem erzeugten Datensatz entsprechende Codierung auf dem Werkzeug anbringt,a coding device that applies a code corresponding to the generated data set to the tool,
eine Leseeinrichtung, die die Codierung auf dem Werkzeug liest,a reading device that reads the coding on the tool,
und eine Decodiereinrichtung, die aus der Codierung den die geometrischen Abmessungen des Werk-and a decoding device which calculates the geometric dimensions of the workpiece from the coding.
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zeuges wiedergebenden Datensatz erzeugt und diesen der Steuerung zuführt.generates a data set representing the tool and feeds it to the control system.
Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, Werkzeuge zu verwenden, deren Geometrie von Werkzeug zu Werkzeug variiert. Die tatsächliche Geometrie jedes Werkzeuges wird dabei durch Messung bestimmt, und die dieser tatsächlichen Geometrie entsprechenden Werte werden in einen Datensatz umgeformt, dessen Inhalt in codierter Form auf dem Werkzeug selbst angebracht wird. Diese Codierung kann sehr unterschiedlich gewählt sein, es ist möglich, hier eine optisch sichtbare Codierung zu wählen, beispielsweise einen alphanumerischen Code aufzuschreiben, einen Barcode oder dergleichen, oder es kann sich um einen magnetisch lesbaren Code handeln, hier sind dem Fachmann sehr verschiedene Möglichkeiten an die Hand gegeben, um eine Codierung auf einem Werkzeug anzubringen. In bestimmten Fällen ist es auch möglich, die Codierung in Form eines Mikrochips anzubringen, also über einen sogenannten Transponder.This design makes it possible to use tools whose geometry varies from tool to tool. The actual geometry of each tool is determined by measurement, and the values corresponding to this actual geometry are converted into a data set, the content of which is applied in coded form to the tool itself. This coding can be chosen in very different ways; it is possible to choose an optically visible coding, for example an alphanumeric code written down, a barcode or the like, or it can be a magnetically readable code; here the expert has very different options for applying a code to a tool. In certain cases it is also possible to apply the coding in the form of a microchip, i.e. via a so-called transponder.
Diese für das spezielle Werkzeug individuell erzeugte Codierung wird beim Einsetzen des Werkzeuges in den Operationsroboter von einer Leseeinrichtung gelesen und in einer Decodiereinrichtung wieder in einen Datensatz umgewandelt, der die tatsächliche Geometrie des Werkzeuges repräsentiert und der dann im Operationsroboter zur Steuerung der Bewegungsabläufe des Werkzeuges verwendet wird, und zwar unter Berücksichtigung der tatsächlichen Geometrie des Werkzeuges, so daß bei Werkzeugen mit unterschiedlichen Geometrien trotzdem eineThis coding, which is individually generated for the specific tool, is read by a reading device when the tool is inserted into the surgical robot and is converted in a decoding device into a data set that represents the actual geometry of the tool and is then used in the surgical robot to control the movement sequences of the tool, taking into account the actual geometry of the tool, so that even with tools with different geometries, a
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maximale Genauigkeit des Bewegungsablaufes erzielbar
ist.maximum accuracy of the movement sequence can be achieved
is.
Dabei kann vorgesehen sein, daß die Meßeinrichtung
einen Datensatz erzeugt, der die gemessenen Geometriewerte wiedergibt, in diesem Fall wird der Datensatz
vollständig der Steuerung zugeführt, die diesen Datensatz direkt zur Steuerung des Bewegungsablaufes verwendet. It can be provided that the measuring device
creates a data set that reflects the measured geometry values, in this case the data set
completely fed to the controller, which uses this data set directly to control the movement sequence.
Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Meßeinrichtung einen Datensatz erzeugt, der Abweichungen der gemessenen Geometriewerte von Soll-Geometriewerten wiedergibt. In diesem Falle wird ein in der Steuerung gespeicherter SoI!-Datensatz über die in co-In another embodiment, the measuring device generates a data set that reflects deviations of the measured geometry values from the target geometry values. In this case, a target data set stored in the control system is transmitted via the
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dierter Form auf dem Werkzeug angebrachten Korrekturwerte modifiziert.The correction values applied to the tool in a specified form are modified.
Die Erfindung betrifft auch einen Operationsroboter für chirurgische Operationen mit einer Steuerung für den Bewegungsablauf eines Werkzeuges, die in Abhängigkeit von einem die geometrischen Abmessungen des Werkzeuges wiedergebenden und in Form einer Codierung auf dem Werkzeug angeordneten Datensatz an die Geometrie des Werkzeuges angepaßte Bewegungssignale erzeugt mit einer Leseeinrichtung, die die Codierung auf dem Werkzeug liest und mit einer Decodiereinrichtung, die aus der Codierung den die geometrischen Abmessungen des Werkzeuges wiedergebenden Datensatz erzeugt und diesen der Steuerung zuführt.The invention also relates to a surgical robot for surgical operations with a controller for the movement sequence of a tool, which generates movement signals adapted to the geometry of the tool as a function of a data set representing the geometric dimensions of the tool and arranged in the form of a code on the tool, with a reading device that reads the code on the tool and with a decoding device that generates the data set representing the geometric dimensions of the tool from the code and feeds it to the controller.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of a preferred embodiment of the invention serves to explain it in more detail in conjunction with the drawing. They show:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Werkzeuges mit einer Geometriemeßeinrichtung und einer Codiereinrichtung für das Werkzeug ;Figure 1: a schematic representation of a tool with a geometry measuring device and a coding device for the tool;
Figur 2: eine schematische Ansicht eines Operationsroboters mit einer Steuerung für den Bewegungsablauf eines Werkzeuges und mit einer Leseeinrichtung für eine Codierung des Werkzeuges.Figure 2: a schematic view of a surgical robot with a control for the movement sequence of a tool and with a reading device for coding the tool.
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Die Erfindung wird erläutert am Beispiel eines Operationsroboters 1, der mit einem Bohrer 2 bestückt ist und diesen Bohrer 2 über einen beweglichen Arm 3 so führt, daß der drehangetriebene Bohrer 2 entsprechend einer vorher geplanten Bewegungsbahn verfahren wird und dadurch in ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Substrat, beispielsweise einen Knochen, eine Bohrung der gewünschten Positionierung einbringt.The invention is explained using the example of a surgical robot 1, which is equipped with a drill 2 and guides this drill 2 via a movable arm 3 in such a way that the rotary-driven drill 2 is moved according to a previously planned movement path and thereby creates a hole of the desired positioning in a substrate not shown in the drawing, for example a bone.
Es versteht sich aber, daß als Werkzeug auch ein beliebiges anderes Werkzeug eingesetzt werden kann, welches ein Substrat bearbeitet und dabei bewegt wird, beispielsweise ein Fräser oder eine Säge. Im weitesten Sinne kann unter "Werkzeug" natürlich auch ein Handstück, ein Zwischenstück oder ein sonstiges Instrument verstanden werden, das zwischen dem tatsächlichen Werkzeug und dem Operationsroboter zwischengeschaltet ist, beispielsweise eine Verlängerung oder ein Adapter. Auch diese zwischengeschalteten Teile können in der gleichen Weise hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen erfaßt und codiert werden, so daß auch deren tatsächliche Geometrie für die Steuerung des Bewegungsablaufes berücksichtigt werden kann, in einem derartigen Fall können also mehrere Datensätze für die geometrischen Abmessungen des tatsächlichen Werkzeuges und zwischengeschalteter Teile erzeugt und in der Steuerung zu einem den Bewegungsablauf steuernden Datensatz vereinigt werden, der die tatsächliche geometrische Anordnung des Werkzeuges selbst relativ zum Operationsroboter berücksichtigt. However, it goes without saying that any other tool that processes a substrate and is moved in the process can also be used as a tool, for example a milling cutter or a saw. In the broadest sense, "tool" can of course also be understood to mean a handpiece, an intermediate piece or another instrument that is interposed between the actual tool and the surgical robot, for example an extension or an adapter. These interposed parts can also be recorded and coded in the same way with regard to their geometric dimensions, so that their actual geometry can also be taken into account for controlling the movement sequence. In such a case, several data sets for the geometric dimensions of the actual tool and interposed parts can therefore be generated and combined in the control system to form a data set that controls the movement sequence and takes into account the actual geometric arrangement of the tool itself relative to the surgical robot.
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Dem Operationsroboter 1 ist eine Steuerung 4 zugeordnet, die den Arm 3 und damit den Bohrer 2 in der gewünschten Weise steuert.The surgical robot 1 is assigned a controller 4 which controls the arm 3 and thus the drill 2 in the desired manner.
Der Bohrer 2 kann in den Arm 3 in an sich bekannter Weise eingesetzt werden, und zwar auswechselbar, so daß bei Bedarf auch andere Werkzeuge in den Arm 3 eingesetzt werden können, die für den jeweiligen Bearbeitungsvorgang notwendig sind. Jedes Werkzeug wird von der Steuerung 4 dann über einen speziellen Datensatz gesteuert, der die tatsächlichen geometrischen Abmessungen des Werkzeuges repräsentiert, also bei einem Bohrer beispielsweise den Durchmesser, den Schneidwinkel etc.The drill 2 can be inserted into the arm 3 in a manner known per se, and can be exchanged, so that if necessary, other tools can also be inserted into the arm 3 that are necessary for the respective machining process. Each tool is then controlled by the control system 4 via a special data set that represents the actual geometric dimensions of the tool, for example the diameter, the cutting angle, etc. in the case of a drill.
Um eine besonders exakte Bearbeitung zu erreichen, werden die Werkzeuge individuell ausgemessen, so daß auf diese Weise ihre geometrischen Abmessungen genau erfaßt werden.In order to achieve particularly precise machining, the tools are measured individually so that their geometric dimensions are precisely recorded.
Dies ist in Figur 1 für den Bohrer 2 dargestellt, der in einer Meßstation 5 in an sich bekannter Weise genau vermessen wird, beispielsweise über Taster, über Laserstrahlen oder andere an sich bekannte Meßverfahren, mit denen die Geometrie eines Gegenstandes erfaßt werden kann. Die dabei erzeugten Meßdaten werden in einem Datensatz zusammengefaßt, den die Meßstation 5 über eine Leitung 6 einer Codiereinrichtung 7 übermittelt, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Datensatz auf dem Bohrer 2 selbst eine Codierung 8 erzeugt, im dargestellten Beispiel in Form eines Strichcodes. Dieser kann bei-This is shown in Figure 1 for the drill 2, which is precisely measured in a measuring station 5 in a manner known per se, for example using probes, laser beams or other known measuring methods with which the geometry of an object can be recorded. The measurement data generated in this way are summarized in a data set, which the measuring station 5 transmits via a line 6 to a coding device 7, which generates a code 8 on the drill 2 itself depending on the respective data set, in the example shown in the form of a bar code. This can be
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spielsweise durch Laserstrahlen auf die Oberfläche des Werkzeuges aufgebracht, beispielsweise eingebrannt werden oder in anderer an sich bekannter Weise auf dem Werkzeug abgelegt werden.for example, applied to the surface of the tool by laser beams, for example burned in, or deposited on the tool in another known manner.
In dieser Codierung 8 sind die tatsächlichen geometrischen Abmessungen des Bohrers 2 gespeichert.The actual geometric dimensions of the drill 2 are stored in this coding 8.
Der Steuerung 4 des Operationsroboters 1 ist eine Lesestation 9 zugeordnet, die beispielsweise am Roboterarm selbst angeordnet sein kann und die beim Einsetzen des Bohrers 2 in den Roboterarm 3 die Codierung 8 auf dem Bohrer 2 liest. Die Lesestation 9 übermittelt die erfaßte Codierung einer Decodierstation 10, die daraus einen Datensatz erzeugt, der der Steuerung 4 zugeführt wird. Auf diese Weise erhält die Steuerung 4 vollständige Informationen über die tatsächlichen geometrischen Abmessungen des eingesetzten Bohrers 2.The control 4 of the surgical robot 1 is assigned a reading station 9, which can be arranged, for example, on the robot arm itself and which reads the coding 8 on the drill 2 when the drill 2 is inserted into the robot arm 3. The reading station 9 transmits the detected coding to a decoding station 10, which generates a data set from it that is fed to the control 4. In this way, the control 4 receives complete information about the actual geometric dimensions of the drill 2 inserted.
Der Datensatz, den die Meßstation 5 erzeugt, kann ein Datensatz sein, der unmittelbar die geometrischen Abmessungen wiedergibt, in diesem Falle ist es sinnvoll, diesen Datensatz nach der Decodierung unmittelbar der Steuerung 4 zuzuführen, die mit diesem Datensatz den Bewegungsablauf des Bohrers 2 steuert.The data set generated by the measuring station 5 can be a data set that directly reflects the geometric dimensions; in this case, it is useful to feed this data set after decoding directly to the control system 4, which uses this data set to control the movement sequence of the drill 2.
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Meßstation 5 einen Datensatz erzeugt, der nur Abweichungen von einem geometrischen Soll-Datensatz für das bestimmte Werkzeug enthält, in diesem Fall wird der von der Decodierstation 10 ermittelte Datensatz derIn another embodiment, it can be provided that the measuring station 5 generates a data set that only contains deviations from a geometric target data set for the specific tool, in this case the data set determined by the decoding station 10 is
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Steuerung 4 zugeführt und in dieser wird ein abgespeicherter, entsprechender Soll-Datensatz mit diesem zugeführten Datensatz modifiziert, dieser modifizierte Geometriedatensatz repräsentiert die tatsächlichen geometrischen Abmessungen des Werkzeuges und mit diesem erfolgt die Steuerung des Bewegungsablaufes.Control 4 and in this a stored, corresponding target data set is modified with this supplied data set, this modified geometry data set represents the actual geometric dimensions of the tool and is used to control the movement sequence.
Es ist auf diese Weise möglich, Werkzeuge einzusetzen, die große Fertigungstoleranzen aufweisen, diese Fertigungstoleranzen werden durch das beschriebene Verfahren vollständig ausgeglichen. Dasselbe gilt hinsichtlich der Abnutzung von Werkzeugen, wenn die Werkzeuge vor dem Einsatz entsprechend neu vermessen und codiert werden, können alle Abmessungsänderungen auf diese Weise kompensiert werden, so daß trotz veränderter tatsächlicher Geometrie der Werkzeuge eine sehr exakte Bewegungssteuerung der Werkzeuge möglich wird.In this way, it is possible to use tools that have large manufacturing tolerances; these manufacturing tolerances are completely compensated for by the process described. The same applies to tool wear; if the tools are re-measured and coded accordingly before use, all dimensional changes can be compensated in this way, so that very precise movement control of the tools is possible despite changes in the actual geometry of the tools.
Claims (4)
eine Meßeinrichtung (5), welche die tatsächliche Geometrie des Werkzeuges (2) ermittelt und daraus einen Datensatz erzeugt,
eine Codiereinrichtung (7), die eine dem erzeugten Datensatz entsprechende Codierung (8) auf dem Werkzeug (2) anbringt,
eine Leseeinrichtung (9), die die Codierung (8) auf dem Werkzeug (2) liest,
und eine Decodiereinrichtung (10), die aus der Codierung (8) den die geometrischen Abmessungen des Werkzeuges (2) wiedergebenden Datensatz erzeugt und diesen der Steuerung (4) zuführt. 1. Control system for the movement sequence of a tool of a surgical robot for surgical operations with a control which generates movement signals adapted to the geometry of the tool as a function of a data set representing the geometric dimensions of the tool, characterized in that it comprises the following devices:
a measuring device ( 5 ) which determines the actual geometry of the tool ( 2 ) and generates a data set therefrom,
a coding device ( 7 ) which applies a coding ( 8 ) corresponding to the generated data set to the tool ( 2 ),
a reading device ( 9 ) which reads the coding ( 8 ) on the tool ( 2 ),
and a decoding device ( 10 ) which generates the data set representing the geometric dimensions of the tool ( 2 ) from the coding ( 8 ) and feeds it to the controller ( 4 ).
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