RU2718568C1 - Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller - Google Patents

Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller Download PDF

Info

Publication number
RU2718568C1
RU2718568C1 RU2019138039A RU2019138039A RU2718568C1 RU 2718568 C1 RU2718568 C1 RU 2718568C1 RU 2019138039 A RU2019138039 A RU 2019138039A RU 2019138039 A RU2019138039 A RU 2019138039A RU 2718568 C1 RU2718568 C1 RU 2718568C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
controller
rotation
wrist
operator
unit
Prior art date
Application number
RU2019138039A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Юрьевич Пушкарь
Рахим Суфьянович Нахушев
Original Assignee
Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд filed Critical Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд
Priority to RU2019138039A priority Critical patent/RU2718568C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2718568C1 publication Critical patent/RU2718568C1/en
Priority to PCT/RU2020/050343 priority patent/WO2021107820A1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/75Manipulators having means for prevention or compensation of hand tremors
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/76Manipulators having means for providing feel, e.g. force or tactile feedback
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/08Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/08Gripping heads and other end effectors having finger members
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention relates to medical equipment. Wrist controller (200) for the robot-surgical complex operator control controller includes a rotation mechanism unit (220) and a movable cantilever unit (210). Turning mechanism unit has upper and lower parts, ergonomic shape housing and is configured to be connected to an element which is part of operator controller, to provide a control function of movement of the manipulator with the surgical instrument on three mutually orthogonal axes and independent rotation about a predetermined center, repeating rotation of the radial bone together with the hand around the ulnar bone relative to the longitudinal axis of the operator's hand, to provide function of manipulator rotation with surgical tool around one axis. Movable cantilever block is a flat non-closed mechanism of parallel rigid structure, consists of three links and three kinematic pairs and is configured for attachment on one side to upper part of rotation mechanism unit, and on the other hand to the upper part of the handle, which is part of the operator's controller, and a rotation that repeats the operator's wrist turn in the frontal plane around the anterior-posterior axis lying in the sagittal plane, to provide the function of turning the surgical instrument around one axis. Inside the body of the rotation mechanism unit there is a wrist controller control unit, turn sensor (225) of the movable cantilever unit, which provides electrical signals and transmits them to the wrist controller control unit, and a movable cantilever unit drive element (223). On the outer side of the housing of the rotation mechanism unit there is turn sensor (226) of the turning mechanism unit, which provides electric signals and transmits them to the wrist controller control unit, and drive mechanism (224) of the rotation mechanism unit. Rotation sensor of rotation mechanism unit is located on rotation axis of rotation element drive unit. Wrist controller control unit is configured to transmit movement of rotation mechanism unit and / or movable cantilever block into corresponding independent movement of manipulator with surgical instrument and / or surgical instrument and for transfer of manipulator movement to surgical instrument and / or surgical instrument into corresponding independent movement of said blocks.
EFFECT: improved, more manoeuvrable and accurate control of an element of a robotic process complex with a larger, ergonomically comfortable working area owing to use of the disclosed wrist controller architecture with reduction of static and dynamic load on wrist of operator during operation and providing minimum weight load on wrist during control.
5 cl, 9 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

[1] Изобретение относится к области машиностроения, а именно к механизмам - контроллерам, предназначенным для управления оператором мехатронными устройствами. Контроллер может быть применен в следующих областях: медицинское оборудование, игровая индустрия, трехмерное компьютерное моделирование и дизайн. Более конкретно, изобретение может относится к области контроля и управления роботизированными хирургическими комплексами для проведения минимально инвазивных хирургических операций. В частности, изобретение относится к устройствам для преобразования движения запястья руки хирурга в цифровую команду для управления хирургическим инструментом, и для преобразования в обратном порядке, а именно, преобразования цифровых команд в механические движения, передаваемые на запястье руки хирурга.[1] The invention relates to the field of engineering, and in particular to mechanisms - controllers designed to control the operator of mechatronic devices. The controller can be used in the following areas: medical equipment, game industry, three-dimensional computer simulation and design. More specifically, the invention may relate to the field of monitoring and control of robotic surgical complexes for minimally invasive surgery. In particular, the invention relates to devices for converting the movement of the wrist of a surgeon into a digital command for controlling a surgical instrument, and for converting in the reverse order, namely, the conversion of digital commands into mechanical movements transmitted to the wrist of the surgeon.

Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

[2] Современные роботы повышают производственную эффективность, прежде всего автоматизируя выполнение технологических процессов. Однако, роботы имеют и иные преимущества, создающие основу инновационных технологий и изделий.[2] Modern robots increase production efficiency, primarily by automating the execution of technological processes. However, robots have other advantages that create the basis of innovative technologies and products.

[3] Простые системы пользовательского интерфейса могут обеспечивать отдельно задаваемое системой числового программного управления (ЧПУ) управление для каждого подвижного соединения робота, роботизированного манипулятора или другого ведомого устройства. Более сложные системы могут включать ручные контроллеры (иногда в форме джойстика или пистолетной рукоятки), которые воспринимают движение рукой пользователя. Система управления роботом реагирует на эти управляющие сигналы, активируя определенные сервомоторы, соленоиды или другие устройства в роботизированном манипуляторе для обеспечения желаемого действия.[3] Simple user interface systems can provide separately defined control by a numerical control (CNC) system for each movable connection of a robot, robotic arm, or other slave device. More complex systems may include hand-held controllers (sometimes in the form of a joystick or pistol grip) that sense movement by the user's hand. The robot control system responds to these control signals by activating certain servomotors, solenoids, or other devices in the robotic arm to provide the desired action.

[4] С одной стороны, контроллер, в прямом порядке работы, обеспечивает управление и контроль, с другой стороны, в обратном порядке работы, он обеспечивает тактильное ощущение взаимодействия с технической системой через виртуальный контакт с исполнительным механизмом. В качестве исполнительного механизма может выступать робот или манипулятор, а в качестве тактильного устройства - контроллер, силы воздействия которого ограничены и соизмеримы с силой рук оператора.[4] On the one hand, the controller, in the direct order of operation, provides control and monitoring, on the other hand, in the reverse order of operation, it provides a tactile sensation of interaction with the technical system through virtual contact with the actuator. A robot or a manipulator can act as an actuator, and a controller, whose impact forces are limited and commensurate with the strength of the operator’s hands, can act as a tactile device.

[5] Контроллер генерирует один или несколько управляющих сигналов, которые затем используются для управления различными движениями манипулятора, преобразуя механические движения руки по шести степеням свободы в команды для мехатронного комплекса. Контроллер также предоставляет пользователю информацию с обратной связью по силе, поступающей на вход движения, или силе, прилагаемой пользователем.[5] The controller generates one or more control signals, which are then used to control various movements of the manipulator, converting the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into commands for the mechatronic complex. The controller also provides the user with feedback on the force applied to the motion input, or the force exerted by the user.

[6] Контроллер для дистанционного управления движением манипулятора может быть отделен от исполнительного механизма значительным расстоянием (например, контроллер может находиться в другой комнате или в совершенно другом здании). В качестве альтернативы, контроллер может быть расположен совсем рядом с исполнительным механизмом.[6] The controller for remote control of the movement of the manipulator can be separated from the actuator by a considerable distance (for example, the controller can be in another room or in a completely different building). Alternatively, the controller may be located very close to the actuator.

[7] Одна из широко используемых областей применения таких контроллеров - роботизированные хирургические системы, которые применяются в малоинвазивных медицинских операциях. Во время операции управление манипуляторами и закрепленными на них хирургическими инструментами выполняется хирургом при помощи контроллеров управления. Система управления роботизированным хирургическим комплексом реагирует на управляющие сигналы от контроллера в цифровом виде. Такой порядок управления позволяет с масштабом передать на исполнительный инструмент движения рук хирурга и повысить точность соответствующих движений этих инструментов.[7] One of the widely used applications of such controllers is robotic surgical systems, which are used in minimally invasive medical operations. During the operation, the manipulators and the surgical instruments attached to them are controlled by the surgeon using control controllers. The control system of the robotic surgical complex responds to control signals from the controller in digital form. This control procedure allows the surgeon to transfer the movements of the surgeon's hands to the executive instrument and increase the accuracy of the corresponding movements of these instruments.

[8] Для проведения такого рода операций необходимо обеспечивать по меньшей мере шесть степеней свободы для медицинского инструмента, который должен осуществлять поступательные и вращательные движения. Особое внимание уделяется способам и методам преобразования механических вращательных движений руки оператора в управляющие команды для роботохирургического комплекса, так как значительная часть операционных действий осуществляется непосредственно кончиком медицинского инструмента, например, наложение швов, коагуляция и др.[8] For such operations, it is necessary to provide at least six degrees of freedom for the medical instrument, which must carry out translational and rotational movements. Particular attention is paid to methods and methods for converting mechanical rotational movements of the operator’s hand into control commands for a robotic surgical complex, since a significant part of the surgical operations are carried out directly with the tip of a medical instrument, for example, suturing, coagulation, etc.

[9] Помимо обеспечения управления, контроллер необходим для тактильного ощущения взаимодействия с роботохирургической системой, что является важной особенностью для повышения эффективности операций, проведенных с помощью таких систем. При этом, диапазоны движения контроллера управления ограничены как механическими особенностями реализации, так и биологическими особенностями строения человеческой руки, запястья, кисти.[9] In addition to providing control, a controller is necessary for a tactile sensation of interaction with a robotic surgical system, which is an important feature for increasing the efficiency of operations performed using such systems. At the same time, the ranges of movement of the control controller are limited by both the mechanical features of the implementation and the biological features of the structure of the human hand, wrist, hand.

[10] Немаловажным фактором является обеспечение удобства и эргономичности такого рода контроллеров управлений, так как операции могут занимать продолжительное время, что не должно влиять на утомляемость и усталость оператора-хирурга.[10] An important factor is ensuring the convenience and ergonomics of this kind of controllers, since operations can take a long time, which should not affect the fatigue and fatigue of the surgeon.

[11] Таким образом, существует потребность в создании контроллера запястья, входящего в состав контроллера управления для роботизированной хирургической системы, с минимально возможной нагрузкой веса на руку, и обеспечивающего точное преобразование механических вращений запястья хирурга вокруг двух осей в управляющие воздействия на хирургический инструмент, с возможностью обратного преобразования цифрового сигнала в управляющие воздействия на контроллер запястья для обеспечения тактильной связи.[11] Thus, there is a need to create a wrist controller, which is part of the control controller for a robotic surgical system, with the smallest possible weight load on the arm, and that provides the exact conversion of the mechanical rotations of the surgeon’s wrist around two axes into control actions on the surgical instrument, with the ability to invert the digital signal into control actions on the wrist controller to provide tactile communication.

[12] Примером таких разработок является контроллер управления, раскрытый в заявке US 2014192020 A1. Контроллер обеспечивает по меньшей мере три вращательные степени свободы и крепится на устройство с параллельной кинематической структурой, которое обеспечивает по меньшей мере три поступательные степени свободы. Конструктивно контроллер содержит три вращательных шарнирных соединения, каждое из которых обеспечивает вращательную степень свободы относительно локальной точки соединения рукоятки с устройством, обеспечивающим поступательные перемещения, и содержит по меньшей мере один датчик положения вращения и по меньшей мере один привод. Данная конструкция позволяет передавать тактильную обратную связь на контроллер управления.[12] An example of such developments is the control controller disclosed in application US 2014192020 A1. The controller provides at least three rotational degrees of freedom and is mounted on a device with a parallel kinematic structure, which provides at least three translational degrees of freedom. Structurally, the controller contains three rotary swivel joints, each of which provides a rotational degree of freedom relative to the local point of connection of the handle with the device providing translational movements, and contains at least one rotational position sensor and at least one actuator. This design allows you to send tactile feedback to the control controller.

[13] Описываемый контроллер управления условно состоит из двух различных систем - контроллера запястья и контроллера кисти, необходимых для обеспечения соответствующих степеней свободы.[13] The described control controller conditionally consists of two different systems - the wrist controller and the hand controller, necessary to ensure the appropriate degrees of freedom.

[14] Особый интерес представляет вариант конструкции контроллера запястья, который описывает вращения по осям крена и тангажа, реализованные шарнирными соединениями. Установленные в шарнирных соединениях приводы позволяют реализовать тактильную обратную связь для запястья оператора в случае необходимости. Во время работы оператора общий центр вращения располагается внутри ладони пользователя между большим и контактирующим с захватом пальцами. Для обеспечения контакта с пальцами используется захват, который крепится к вращательному соединению. Для компенсации силы тяжести для контроллера запястья используется противовесная конструкция.[14] Of particular interest is the design of the wrist controller, which describes the rotation along the roll and pitch axes, implemented by articulated joints. Drives mounted in articulated joints allow tactile feedback for the operator’s wrist if necessary. During the operator’s work, the common center of rotation is located inside the user's palm between the thumb and the fingers in contact with the grip. To ensure contact with the fingers, a grip is used that attaches to the rotary joint. A counterweight design is used to compensate for gravity for the wrist controller.

[15] К существенным недостаткам рассматриваемого прототипа относится:[15] Significant disadvantages of the prototype under consideration include:

1. Расположение шарнирного соединения в контроллере запястья слева для правой руки и нахождение шарнирного соединения справа для конструкции контроллера для левой руки значительно уменьшают рабочую области для поступательных движений в случае сведения рук оператором-хирургом.1. The location of the swivel in the controller of the wrist on the left for the right hand and finding the swivel on the right for the design of the controller for the left hand significantly reduce the working area for translational movements in the case of reduction of hands by the surgeon.

2. Конструкция контроллера запястья не гарантирует жесткость, а как следствие точность работы конструкции, что является немаловажным фактором для задающего устройства при проведении роботохирургической операции.2. The design of the wrist controller does not guarantee rigidity, and as a result, the accuracy of the design, which is an important factor for the master device during robotic surgery.

3. Ограничение диапазона вращения контроллера запястья относительно оси тангажа из-за геометрической формы схвата и из-за расположения оси тангажа, которая изначально отклонена относительно оси крена. Такое начальное положение необходимо для обеспечения параллельности плоскостей схвата и пластины, при помощи которой устройство активного захвата крепится к устройству с параллельной кинематической структурой.3. Limitation of the range of rotation of the wrist controller relative to the pitch axis due to the geometrical shape of the grip and because of the location of the pitch axis, which is initially deflected relative to the roll axis. This initial position is necessary to ensure the parallelity of the gripping planes and the plate, with which the active gripping device is attached to a device with a parallel kinematic structure.

4. Ограничение диапазона вращения контроллера запястья относительно оси крена из-за геометрической формы схвата, устроенной таким образом, чтобы обеспечивать удобное расположение запястья оператора-хирурга в начальный момент времени. Однако, во время проведения хирургической операции, в случае необходимости наклонения контроллера запястья вперед относительно оси крена, могут возникнуть затруднения, связанные с физиологическими особенностями строения человеческого запястья, так как начальное наклонение контроллера управления вынуждает оператора задействовать движение локтями для обеспечения больших углов по оси крена.4. Limitation of the range of rotation of the wrist controller relative to the roll axis due to the geometric shape of the grip, arranged in such a way as to provide a convenient location for the wrist of the surgeon at the initial time. However, during a surgical operation, if it is necessary to tilt the wrist controller forward relative to the roll axis, difficulties may arise associated with the physiological features of the structure of the human wrist, since the initial tilt of the control controller forces the operator to use elbow motion to provide large angles along the roll axis.

[16] Существующие разработки контроллера запястья, входящего в состав контроллера управления, не позволяют в одной известной конструкции решить следующую совокупность проблем:[16] The existing developments of the wrist controller, which is part of the control controller, do not allow to solve the following set of problems in one known design:

[17] 1.Обеспечение жесткости конструкции, что гарантирует точность измерения положении запястья оператора.[17] 1. Ensuring rigidity of the structure, which guarantees the accuracy of measuring the position of the wrist of the operator.

[18] 2.Эргономичность и удобство активного устройства захвата, учитывающие биологические особенности строения запястья человека.[18] 2. Ergonomics and convenience of the active capture device, taking into account the biological features of the structure of the human wrist.

[19] 3.Наличие механических особенностей конструкции, которые могут косвенно влиять на перемещение и вращение контроллера запястья в рабочей области, в частности, конструкция должна быть легкой, чтобы оператору не приходилось прилагать лишних усилий.[19] 3. The presence of mechanical design features that can indirectly affect the movement and rotation of the wrist controller in the work area, in particular, the design should be light so that the operator does not have to make unnecessary efforts.

[20] 4.Отсутствие достаточной рабочей области, позволяющей совершать все необходимые операционные воздействия при помощи контроллера запястья, не прилагая при этом дополнительных движений локтями.[20] 4. The absence of a sufficient working area that allows you to perform all the necessary operational influences using the wrist controller, without making additional movements with the elbows.

[21] 5. Наличие по меньшей мере одного привода на каждой оси вращения для обеспечения тактильной обратной связи.[21] 5. The presence of at least one drive on each axis of rotation to provide tactile feedback.

[22] Именно решению перечисленных проблем посвящена данная заявка.[22] This application is dedicated to the solution of these problems.

Суть изобретенияThe essence of the invention

[23] Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание контроллера запястья, входящего в состав контроллера управления, который обеспечивает для хирурга возможность усовершенствованного, более маневренного и точного управления элементом роботизированного технологического комплекса с увеличенной, эргономически удобной рабочей областью как контроллера управления в целом, так и контроллера запястья.[23] The technical problem to which the invention is directed is the creation of a wrist controller, which is part of the control controller, which provides the surgeon with the possibility of improved, more maneuverable and precise control of an element of a robotic technological complex with an enlarged, ergonomically convenient working area as a control controller in general, and the wrist controller.

[24] При этом контроллер запястья должен наиболее точно на всей амплитуде и при всех углах контролировать как минимум один угол поворота запястья руки оператора, преобразуя эту информацию в цифровой сигнал, передаваемый на управляемый элемент роботизированного технологического комплекса.[24] In this case, the wrist controller should control at least one angle of rotation of the wrist of the operator most accurately at all amplitudes and at all angles, converting this information into a digital signal transmitted to the controlled element of the robotic technological complex.

[25] Дополнительно контроллер запястья должен реализовывать канал обратной связи от управляемого элемента роботизированного технологического комплекса системы управления, преобразуя цифровой управляющий сигнал в механическое перемещение - поворот запястья руки оператора.[25] Additionally, the wrist controller must implement a feedback channel from the controlled element of the robotic technological complex of the control system, converting the digital control signal into mechanical movement - rotation of the wrist of the operator.

[26] Дополнительно контроллер запястья должен снижать статическую и динамическую нагрузку на запястье руки оператора во время работы, обеспечивая минимальную нагрузку веса на запястье руки при управлении.[26] Additionally, the wrist controller must reduce the static and dynamic load on the wrist of the operator during operation, providing a minimum weight load on the wrist during operation.

[27] Дополнительно контроллер запястья должен преобразовывать движения запястья оператора в цифровую форму, не создавая существенных ограничений естественной подвижности руки оператора.[27] Additionally, the wrist controller must convert the movements of the wrist of the operator to digital form without creating significant limitations to the natural mobility of the operator’s hand.

[28] С целью решения поставленных задач контроллер запястья оператора совместно с контроллером кисти образует управляющую ручку, используемую в составе контроллера оператора для управления роботохирургическим комплексом. Контроллер запястья оператора включает блок механизма поворота, который имеет верхнюю часть и нижнюю часть, корпус эргономичной формы; блок механизма поворота функционально сконфигурирован для соединения с другим элементом, входящим в состав контроллера оператора, который предназначен для обеспечения функции перемещения манипулятора с хирургическим инструментом по трем взаимно ортогональным осям, и независимого поворота вокруг заранее заданного центра, повторяющего поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора, для обеспечения функции вращения манипулятора с хирургическим инструментом вокруг одной оси; по меньшей мере один блок подвижной консоли, который представляет собой плоский незамкнутый механизм параллельной жесткой структуры, состоящий из трех звеньев и трех кинематических пар; блок подвижной консоли функционально сконфигурирован для крепления с одной стороны к верхней части блока механизма поворота, а с другой - к верхней части рукоятки, охватываемой и удерживаемой всей поверхностью кисти оператора во время работы, которая также входит в состав контроллера оператора, и поворота, повторяющего поворот кисти оператора во фронтальной плоскости вокруг переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости, для обеспечения функции поворота хирургического инструмента вокруг одной оси. При этом внутри корпуса блока механизма поворота расположены: блок управления контроллера запястья, по меньшей мере один датчик поворота блока подвижной консоли, обеспечивающий электрические сигналы, соответствующие изменению положения блока подвижной консоли относительно блока механизма поворота при повороте кисти оператора, охватывающей рукоятку, во фронтальной плоскости вокруг переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости и передающий их на блок управления контроллера запястья, приводной элемент блока подвижной консоли. При этом на внешней стороне корпуса блока механизма поворота расположены: датчик поворота блока механизма поворота, обеспечивающий электрические сигналы, соответствующие изменению положения блока механизма поворота относительно заранее заданного центра при повороте лучевой кости вместе с кистью оператора вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора и передающий их на блок управления контроллера запястья, приводной элемент блока механизма поворота, причем датчик поворота блока механизма поворота расположен на оси вращения приводного элемента блока механизма поворота. Причем блок управления контроллера запястья функционально сконфигурирован для передачи полученных сигналов на цифровой блок контроллера оператора и на внешнюю систему управления роботохирургическим комплексом для передачи движения блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли в соответствующее независимое движение манипулятора с хирургическим инструментом и/или хирургического инструмента, получения управляющих сигналов от внешней системы управления роботохирургическим комплексом и передачи их на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли для передачи движения манипулятора с хирургическим инструментом и/или хирургического инструмента в соответствующее независимое движение указанных блоков.[28] In order to solve the tasks, the controller of the wrist of the operator together with the controller of the hand forms a control handle used as part of the controller of the operator to control the robotic surgical complex. The controller of the wrist of the operator includes a turning mechanism unit, which has an upper part and a lower part, an ergonomically shaped body; the rotation mechanism unit is functionally configured to connect with another element that is part of the operator’s controller, which is designed to provide the function of moving the manipulator with the surgical instrument along three mutually orthogonal axes, and independently rotate around a predetermined center that repeats the rotation of the radius with the brush around the ulnar bones relative to the longitudinal axis of the operator’s hand, to ensure the rotation function of the manipulator with the surgical instrument around one axis; at least one block of the movable console, which is a flat open mechanism of parallel rigid structure, consisting of three links and three kinematic pairs; the movable console unit is functionally configured for fastening, on the one hand, to the upper part of the rotation mechanism unit and, on the other hand, to the upper part of the handle, covered and held by the entire surface of the operator’s brush during operation, which is also part of the operator’s controller, and a rotation that repeats the rotation operator’s hands in the frontal plane around the anteroposterior axis lying in the sagittal plane to provide the function of rotation of the surgical instrument around one axis. At the same time, inside the body of the rotation mechanism unit block are located: the wrist controller control unit, at least one rotation sensor unit of the movable console unit, providing electrical signals corresponding to a change in position of the movable console unit relative to the rotation mechanism unit when the operator’s hand covering the handle is rotated in the frontal plane around anteroposterior axis lying in the sagittal plane and transmitting them to the control unit of the wrist controller, the drive element of the movable console unit. At the same time, on the outer side of the body of the rotation mechanism block, there are: a rotation sensor of the rotation mechanism block providing electrical signals corresponding to a change in the position of the rotation mechanism block relative to a predetermined center when the radius is rotated together with the operator’s brush around the ulnar bone relative to the longitudinal axis of the operator’s hand and transmitting them to the control unit of the wrist controller, the drive element of the rotation mechanism unit, wherein the rotation sensor of the rotation mechanism unit is located on SI rotation of the drive element of the rotation mechanism unit. Moreover, the control unit of the wrist controller is functionally configured to transmit the received signals to the digital controller unit of the operator and to the external control system of the robotic surgical complex for transmitting the movement of the rotation mechanism unit and / or the block of the movable console to the corresponding independent movement of the manipulator with the surgical instrument and / or surgical instrument, control signals from an external control system of the robotic surgical complex and transmitting them to the drive unit as a rotation mechanism and / or a drive element of a movable cantilever unit for transmitting the movement of a manipulator with a surgical instrument and / or surgical instrument into the corresponding independent movement of said blocks.

[29] В некоторых вариантах изобретения корпус блока механизма поворота имеет эргономичную форму и выполнен с углублением таким образом, чтобы иметь возможность максимально приблизить корпус рукоятки, полностью охватываемой кистью оператора, и обеспечить при этом полную траекторию перемещения указанной рукоятки.[29] In some embodiments of the invention, the housing of the rotation mechanism unit has an ergonomic shape and is made with a recess so as to be able to approximate the handle body, fully covered by the operator’s brush, while ensuring the full path of movement of the specified handle.

[30] В некоторых вариантах изобретения цифровой блок управления контроллера оператора формирует управляющие сигналы через блок управления запястья на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли для обеспечения поворота указанных блоков в сторону, совпадающую с поворотом кисти оператора вместе с лучевой костью вокруг локтевой кости и/или при отклонении кисти оператора в сторону локтевой кости или в сторону, противоположную повороту кисти и/или отведению кисти соответственно.[30] In some embodiments of the invention, the digital control unit of the operator controller generates control signals through the wrist control unit to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit to ensure that said blocks rotate in a direction that coincides with the rotation of the operator’s hand along with the radius around the ulnar bone and / or when the operator’s brush is deflected towards the ulnar bone or to the side opposite to the turn of the brush and / or abduction of the brush, respectively.

[31] В некоторых вариантах изобретения в нижней части корпуса блока механизма поворота смонтирована система грузов обеспечения равновесия в статическом положении и нахождения в вертикальном положении.[31] In some embodiments of the invention, in the lower part of the housing of the rotation mechanism unit, a load system is mounted to ensure equilibrium in a static position and to be in an upright position.

[32] В некоторых вариантах изобретения приводной элемент блока подвижной консоли механически связан с блоком подвижной консоли при помощи гибкой передачи.[32] In some embodiments of the invention, the drive element of the movable console unit is mechanically coupled to the movable console unit via flexible transmission.

[33] Указанные задачи решаются за счет изменения конфигурации конструкции контроллера в целом, и в частности, составляющего элемента контроллера - контроллера запястья.[33] These tasks are solved by changing the configuration of the controller as a whole, and in particular, of the controller’s constituent element - the wrist controller.

[34] Решение относится к категории контроллеров, предназначенных для манипулирования как объектом, и не требует обязательного механического закрепления руки оператора на элементах конструкции, но данная возможность присутствует.[34] The solution belongs to the category of controllers designed to be manipulated as an object and does not require mandatory mechanical fastening of the operator’s hands on structural elements, but this feature is present.

[35] Объекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны специалистам после рассмотрения следующего подробного описания и чертежей.[35] The objects and advantages of the present invention will become more apparent to those skilled in the art upon consideration of the following detailed description and drawings.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

[36] Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.[36] The accompanying drawings, which are incorporated in and form part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the above general description of the invention and the following detailed description of embodiments, serve to explain the principles of the present invention.

[37] Фиг. 1 иллюстрирует перспективный вид контроллера оператора по настоящему изобретению, предназначенного для управления оператором мехатронными устройствами.[37] FIG. 1 illustrates a perspective view of an operator controller of the present invention for controlling an operator with mechatronic devices.

[38] Фиг. 2а и Фиг. 2б иллюстрируют общий вид контроллера запястья для использования в составе управляющей ручки контроллера оператора для управления роботохирургическим комплексом без корпуса и в корпусе соответственно.[38] FIG. 2a and FIG. 2b illustrate a general view of the wrist controller for use as part of the control handle of an operator controller for controlling a robotic surgical complex without a housing and in a housing, respectively.

[39] Фиг. 3 схематически отражает плоскости, в которых осуществляются движения кисти оператора в лучезапястном суставе.[39] FIG. 3 schematically reflects the planes in which movements of the operator’s hand in the wrist joint are carried out.

[40] Фиг. 4 иллюстрирует общий вид роботохирургического комплекса.[40] FIG. 4 illustrates a general view of a robotic surgical complex.

[41] Фиг. 5 иллюстрирует общий вид контроллера запястья с прикрепленным к нему контроллером кисти, в том числе крепление гибкой передачи для вынесения приводного элемента, крепление приводного элемента для блока механизма поворота, входящего в состав контроллера запястья.[41] FIG. 5 illustrates a general view of a wrist controller with a brush controller attached thereto, including mounting a flexible gear for carrying out a drive member, mounting a drive member for a rotation mechanism unit included in the wrist controller.

[42] Фиг. 6 иллюстрирует сборочный чертеж печатной платы для установки цифрового магнитного энкодера.[42] FIG. 6 illustrates an assembly drawing of a circuit board for mounting a digital magnetic encoder.

[43] На фиг. 7 изображена трехмерная модель силовой печатной платы.[43] In FIG. 7 shows a three-dimensional model of a power printed circuit board.

[44] На фиг. 8 изображена трехмерная модель печатной платы управления.[44] In FIG. 8 shows a three-dimensional model of a control circuit board.

[45] Фиг. 9 схематически отражает пример контроллера запястья без корпуса с установленными печатными платами согласно настоящему изобретению.[45] FIG. 9 schematically illustrates an example of a wrist controller without a case with installed circuit boards according to the present invention.

Термины и определенияTerms and Definitions

[46] Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.[46] For a better understanding of the present invention, the following are some of the terms used in the present description of the invention. Unless defined separately, technical and scientific terms in this application have standard meanings generally accepted in the scientific and technical literature.

[47] В настоящем описании и в формуле изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е., в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».[47] In the present description and in the claims, the terms “includes”, “including” and “includes”, “having”, “equipped”, “comprising” and their other grammatical forms are not intended to be interpreted in an exceptional sense, but on the contrary, they are used in a non-exclusive sense (ie, in the sense of “having in its composition”). As an exhaustive list, only expressions of the “consisting of” type should be considered.

[48] В настоящих материалах заявки под терминами «роботизированный технологический комплекс», «роботизированная система», «роботизированный комплекс», «роботохирургический комплекс», «роботохирургическая система» понимают сложные системы или комплексы в хирургии с использованием робота-ассистента во время операции. «Робот-ассистивные системы» или «робот-ассистированные хирургические системы» - это роботизированные системы, предназначенные для проведения медицинских операций. Это не автономные устройства, робот-ассистивными системами при проведении операции управляют хирурги.[48] In the present application materials, the terms “robotic technological complex”, “robotic system”, “robotic complex”, “robotic surgical complex”, “robotic surgical system” mean complex systems or complexes in surgery using a robot assistant during an operation. “Robot-assisted systems” or “robot-assisted surgical systems” are robotic systems designed for medical operations. These are not autonomous devices; surgeon-assisted robotic systems during operations are controlled by surgeons.

[49] В настоящих материалах заявки под термином «мехатронный комплекс» или «мехатронная система» понимают комплекс или систему с компьютерным управлением движения, которые базируются на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.[49] In the present application materials, the term “mechatronic complex” or “mechatronic system” is understood to mean a complex or system with computer control of movement, which is based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science and computer control of the movement of machines and assemblies.

[50] В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача-хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами.[50] In this application, the term "operator" is understood to mean the surgeon performing the operation. The signs "operator" and "surgeon" in the present description of the invention are synonymous.

[51] В настоящей заявке используются следующие термины для описания движений кисти в лучезапястном суставе (фиг. 3). Движения кисти происходят вокруг двух осей, когда кисть находится в анатомическом положении, т.е., в положении полной супинации.[51] The following terms are used in this application to describe hand movements in the wrist joint (Fig. 3). Hand movements occur around two axes when the hand is in the anatomical position, i.e., in the position of full supination.

[52] Поперечная ось АА′ лежит во фронтальной плоскости Т и контролирует движения сгибания и разгибания, осуществляемые в сагиттальной плоскости:[52] The transverse axis AA ′ lies in the frontal plane T and controls the flexion and extension movements carried out in the sagittal plane:

- отклонение (девиация) кисти или флексия (стрелка 1) - передняя (ладонная) поверхность кисти движется к передней поверхности предплечья,- deviation (deviation) of the hand or flexion (arrow 1) - the front (palmar) surface of the hand moves to the front surface of the forearm,

- отклонение (девиация) кисти или экстензия (стрелка 2) - задняя (тыльная) поверхность кисти движется к задней поверхности предплечья.- deviation (deviation) of the hand or extension (arrow 2) - the back (back) surface of the hand moves to the back surface of the forearm.

[53] Переднезадняя ось ВВ′ лежит в сагиттальной плоскости S и контролирует движения приведения и отведения, происходящие во фронтальной плоскости:[53] The anteroposterior axis of BB ′ lies in the sagittal plane S and controls the movements of the reduction and abduction occurring in the frontal plane:

- приведение или локтевая девиация (стрелка 3) - перемещение кисти по направлению к продольной оси тела, ее внутренний (ульнарный) край образует тупой угол с внутренним краем предплечья;- reduction or ulnar deviation (arrow 3) - movement of the hand towards the longitudinal axis of the body, its inner (ulnar) edge forms an obtuse angle with the inner edge of the forearm;

- отведение или лучевая девиация (стрелка 4) - перемещение кисти от продольной оси тела, ее наружный (лучевой) край образует тупой угол с наружным краем предплечья.- abduction or radial deviation (arrow 4) - movement of the hand from the longitudinal axis of the body, its outer (radial) edge forms an obtuse angle with the outer edge of the forearm.

[54] Продольная ось CС′ лежит на пересечении сагиттальной плоскости S и фронтальной плоскости Т, контролирует движения вращения кисти:[54] The longitudinal axis CС ′ lies at the intersection of the sagittal plane S and the frontal plane T, controls the movements of rotation of the hand:

- поворот лучевой кости (стрелка 5) вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси.- rotation of the radius (arrow 5) together with the brush around the ulna relative to the longitudinal axis.

[55] Под термином «универсальный» в части его использования относительно контроллера в данном документе поднимают контроллер, который «оцифровывает» руку оператора и позволяет не тренировать руку оператора на каждый новый инструмент без последующих изменений конструкции контроллера. Освоив контроллер один раз, оператор использует его на протяжении длительного периода своей практики, благодаря свойству контроллера интегрироваться ("представлять" руку хирурга) в различных, в том числе удаленных мехатронных устройствах.[55] Under the term “universal” in terms of its use, a controller is raised in relation to the controller in this document, which “digitizes” the operator’s hand and allows not to train the operator’s hand on each new instrument without subsequent changes to the controller’s design. Having mastered the controller once, the operator uses it for a long period of his practice, due to the controller’s ability to integrate (“represent” the surgeon’s hand) in various, including remote mechatronic devices.

[56] Пот термином «абсолютная положение» в данной документе понимают координату, определенную относительно неподвижного элемента конструкции.[56] Sweat, the term "absolute position" in this document means a coordinate defined relative to a fixed structural member.

[57] Под термином «датчик поворота» в данном документе понимают устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта в электрические или аналоговые сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Для определения значения угла поворота того или иного элемента в принципе подходят все виды угловых датчиков. Однако, в большинстве используемых датчиков требуется, прежде всего, постоянная регистрация и сохранение текущих данных о повороте элемента. Датчики поворота могут быть использованы на основе инкрементальных и абсолютных энкодеров. Датчики имеют цифровые выходные сигналы Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profinet и другие. Также могут быть использованы датчики на основе аналоговых датчиков угла поворота и/или магнитных датчиков угла поворота.[57] The term "rotation sensor" in this document refers to a device designed to convert the angle of rotation of a rotating object into electrical or analog signals, allowing to determine the angle of rotation. To determine the value of the angle of rotation of an element, in principle, all types of angle sensors are suitable. However, in the majority of used sensors, it is necessary, first of all, to constantly register and save current data on the rotation of the element. Rotary encoders can be used based on incremental and absolute encoders. The sensors have digital output signals Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profinet and others. Sensors based on analogue angle sensors and / or magnetic angle sensors can also be used.

[58] Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.д. используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты.[58] In addition, the terms “first”, “second”, “third”, etc. they are used simply as conditional markers, without imposing any numerical or other restrictions on the enumerated objects.

[59] Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов).[59] The term “connected” means functionally connected, any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[60] Описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенное ниже, приводится исключительно в качестве примера и предназначено для иллюстративных целей и не предназначено для ограничения объема раскрываемого изобретения.[60] The description of exemplary embodiments of the present invention below is provided by way of example only and is for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the invention disclosed.

[61] Контроллер относится к классу механизмов, обеспечивающих преобразование в электронный цифровой сигнал команд, которые человек задает движением руки. Общий вид контроллера изображен на фиг. 1. Контроллер командный цифровой 1000 в целом состоит из управляющей ручки 1100, блока-платформы позиционирования 1200 и цифрового блока управления (не показан на чертеже).[61] The controller belongs to the class of mechanisms that provide conversion into electronic digital signal of commands that a person sets with a movement of his hand. A general view of the controller is shown in FIG. 1. The command digital controller 1000 as a whole consists of a control handle 1100, a block-platform positioning 1200 and a digital control unit (not shown in the drawing).

[62] Указанный контроллер 1000 имеет контур прямой связи для того, чтобы задавать команды от оператора через движение его руки мехатронному устройству, и контур обратной связи для передачи в обратном порядке на руку оператора ответных команд-реакций от мехатронного устройства. Контур обратной связи контроллера 1000 предназначен для передачи на руку тактильных ощущений.[62] The specified controller 1000 has a direct communication loop in order to give commands from the operator through the movement of his hand to the mechatronic device, and a feedback loop for transmitting in the reverse order to the operator’s hand response commands-reactions from the mechatronic device. The feedback loop of the controller 1000 is designed to transmit tactile sensations to the hand.

[63] Контакт контроллера 1000 с рукой реализуется на управляющей ручке 1100. Управляющая ручка 1100 в целом состоит из контроллера кисти 100и прикрепленного к нему контроллера запястья 200, каждый из которых обеспечивает по две вращательные степени свободы контроллера 1000. Блок-платформа позиционирования контроллера 1200 представляет собой контроллер руки, обеспечивающий три поступательные степени свободы контроллера 1000 путем возвратно-поступательного движения механизма контроллера 1000 по трем взаимно ортогональным осям. При этом на контроллере руки 1200 закреплен контроллер запястья 200, входящий в состав управляющий ручки контроллера 1100. Таким образом, контроллер оператора 1000 контролирует и преобразует в цифровой сигнал движения руки по шести степеням свободы.[63] The contact of the controller 1000 with the hand is implemented on the control handle 1100. The control handle 1100 as a whole consists of a brush controller 100 and a wrist controller 200 attached to it, each of which provides two rotational degrees of freedom of the controller 1000. The positioning block platform of the controller 1200 represents a hand controller that provides three translational degrees of freedom of the controller 1000 by reciprocating the movement of the controller 1000 along three mutually orthogonal axes. At the same time, the wrist controller 200, which is part of the control handle of the controller 1100, is fixed to the hand controller 1200. Thus, the operator controller 1000 controls and converts the six degrees of freedom into a digital signal of hand movement.

[64] Настоящее изобретение в целом относится к контроллеру запястья оператора 200.[64] The present invention generally relates to a wrist controller of an operator 200.

[65] Контроллер запястья 200 оператора используется в составе контроллера для управления мехатронным комплексом, в частности, является элементом управляющей ручки 1100, на которой реализуется контакт контроллера 1000 с рукой оператора.[65] The controller of the wrist 200 of the operator is used as part of the controller to control the mechatronic complex, in particular, it is an element of the control handle 1100, on which the controller 1000 contacts the operator’s hand.

[66] Главным предназначением контроллера запястья, прикрепляемого к одному из концов контроллера кисти, является реализация контакта и взаимодействия через кисть с запястьем оператора и обеспечение по меньшей мере двух вращательных степеней свободы как для реализации ориентации элемента мехатронного комплекса в ответ на поворот запястья оператора, так и для передачи усилий на запястье оператора при в режиме обратной связи.[66] The main purpose of the wrist controller, attached to one of the ends of the brush controller, is to make contact and interaction through the brush with the operator’s wrist and provide at least two rotational degrees of freedom both for realizing the orientation of the mechatronic complex element in response to the rotation of the operator’s wrist, and for transmitting forces on the wrist of the operator in the feedback mode.

[67] Контроллер запястья выполнен с возможностью наиболее точно на всей амплитуде определять угол поворота запястья в двух ортогональных направлениях относительно заданного центра вращения (относительно места крепления контроллера запястья к контроллеру руки) для получения цифровой информации о поворотах в запястье руки оператора во время управления мехатронным комплексом. Конструкция контроллера запястья ограничена и задана физиологическим углом возможного поворота кисти в этих плоскостях.[67] The wrist controller is configured to most accurately determine the angle of rotation of the wrist in two orthogonal directions with respect to a given center of rotation (relative to the place of attachment of the wrist controller to the hand controller) to obtain digital information about the turns in the wrist of the operator during control of the mechatronic complex . The design of the wrist controller is limited and set by the physiological angle of the possible rotation of the hand in these planes.

[68] Контроллер запястья имеет в составе по меньшей мере два блока, которые обеспечивают две степени свободы запястья, и блок управления контроллера запястья. Ниже приводится более детальное описание одного из предпочтительных вариантов осуществления контроллера запястья для использования его в контроллере оператора. Общий вид контроллера запястья представлен на фиг. 2а.[68] The wrist controller has at least two units that provide two degrees of freedom of the wrist, and a control unit of the wrist controller. The following is a more detailed description of one of the preferred embodiments of the wrist controller for use in an operator controller. A general view of the wrist controller is shown in FIG. 2a.

[69] Контроллер запястья включает по меньшей мере один блок подвижной консоли 210 и неподвижный (относительно блока консоли) блок механизма поворота 220. Блок механизма поворота 220 представляет по существу вертикально расположенную площадку крепления 221 блока подвижной консоли 210 и имеет верхнюю часть и нижнюю часть. Блок подвижной консоли 210 с одной стороны выполнен с возможностью крепления к контроллеру кисти 100, а с другой - жестко связан с блоком механизма поворота 220.[69] The wrist controller includes at least one block of the movable console 210 and a fixed (relative to the console block) block of the rotation mechanism 220. The block of the rotation mechanism 220 represents a substantially vertically located mounting platform 221 of the block of the movable console 210 and has an upper part and a lower part. The block of the movable console 210 on the one hand is configured to be attached to the controller brush 100, and on the other, is rigidly connected to the block of the rotation mechanism 220.

[70] В предпочтительном варианте осуществления контроллера запястья 200 согласно настоящему изобретению блок подвижной консоли 210 закреплен в верхней части блока механизма поворота 220. Такое взаимное расположение обусловлено конфигурацией обоих блоков и предназначено для удобства оператора, в частности, для того, чтобы в процессе работы блок подвижной консоли 210 не касался коленей оператора, что обеспечивает комфортную рабочую область. Более того, такая конструкция позволяет уменьшить габаритные размеры контроллера оператора, в состав которого входит контроллер запястья. Также конструкция позволяет увеличить рабочую область оператора, так как позволит сводить руки оператора максимально близко друг к другу.[70] In a preferred embodiment of the wrist controller 200 according to the present invention, the block of the movable console 210 is fixed in the upper part of the block of the rotation mechanism 220. This mutual arrangement is due to the configuration of both blocks and is intended for the convenience of the operator, in particular, so that during operation the mobile console 210 did not touch the knees of the operator, which provides a comfortable working area. Moreover, this design allows to reduce the overall dimensions of the operator’s controller, which includes the wrist controller. Also, the design allows you to increase the operator’s working area, as it will bring the operator’s hands as close to each other as possible.

[71] В некоторых вариантах осуществления контроллер запястья может быть выполнен в виде блока механизма поворота, в верхней части и в нижней части которого закреплены соответствующие блоки подвижной консоли.[71] In some embodiments, the wrist controller may be in the form of a block of a rotation mechanism, in the upper part and in the lower part of which the corresponding blocks of the movable console are fixed.

[72] Способ крепления блока подвижной консоли 210 с неподвижным блоком механизма поворота 220 и с контроллером кисти 100 может быть выбран из любого известного подходящего способа крепления. Как правило, крепление осуществляют посредством подшипникового узла. Кроме того, данное крепление возможно реализовать с использованием втулки скольжения.[72] The mounting method of the movable console unit 210 with the fixed unit of the rotation mechanism 220 and with the brush controller 100 may be selected from any known suitable mounting method. As a rule, fastening is carried out by means of a bearing assembly. In addition, this mount can be implemented using a sliding sleeve.

[73] Структура блока подвижной консоли 210, обеспечивающая одну степень свободы относительно блока механизма поворота 220 (звена, принятого за неподвижное, хотя при движении контроллера запястья сам блок механизма поворота перемещается), представляет собой плоский незамкнутый механизм параллельной жесткой структуры, состоящий из трех звеньев и трех кинематических пар. Основными элементами указанного механизма являются: а) стойка, б) коромысло, в) коромысло, обеспечивающие качательное движение (отведение и приведение) кисти в лучезапястном суставе во фронтальной плоскости. Качательное движение осуществляется относительно оси кисти, которая в исходном положении лежит в плоскости, проходящей через средний палец и третью пястную кость, и продольную ось предплечья (кисть совершает качательное движение относительно переднезадней оси ВВ' во фронтальной плоскости T (движения обозначены стрелкой 3 и стрелкой 4 на фиг.3). Амплитуда этих движений измеряется от оси кисти. Объем этого движения может варьировать от 30° до 55° в зависимости от физиологических возможностей оператора. По сравнению с имеющимися конструкциями данная конструкция позволяет увеличить амплитуду вращения запястья по этой оси и расширить рабочую область контроллера оператора так, что при опускании контроллера не возникнет столкновения с коленями оператора.[73] The structure of the block of the movable console 210, providing one degree of freedom relative to the block of the rotation mechanism 220 (the link is assumed to be fixed, although the movement of the rotation mechanism block moves itself), is a flat unclosed parallel rigid structure consisting of three links and three kinematic pairs. The main elements of this mechanism are: a) the strut, b) the rocker arm, c) the rocker arm, providing rocking movement (abduction and reduction) of the hand in the wrist joint in the frontal plane. The rocking movement is relative to the axis of the brush, which in its initial position lies in the plane passing through the middle finger and third metacarpal bone, and the longitudinal axis of the forearm (the brush makes a rocking motion relative to the anteroposterior axis BB 'in the frontal plane T (movements are indicated by arrow 3 and arrow 4 figure 3). The amplitude of these movements is measured from the axis of the brush. The volume of this movement can vary from 30 ° to 55 ° depending on the physiological capabilities of the operator. Compared with existing designs This design allows you to increase the amplitude of rotation of the wrist along this axis and expand the working area of the operator’s controller so that when lowering the controller there will be no collision with the operator’s knees.

[74] Независимо от того, движется ли контроллер запястья или нет, характер движения блока подвижной консоли относительно блока механизма поворота остается неизменным.[74] Regardless of whether the wrist controller moves or not, the movement pattern of the movable cantilever unit relative to the rotation mechanism unit remains unchanged.

[75] Блок механизма поворота 220 закреплен на контроллере руки 1200 таким образом, чтобы иметь возможность вращения относительно продольной оси контроллера руки 1200 (данная ось показана на фиг.2а), обеспечивая при этом одну степень свободы. Для запястья оператора такой поворот блока механизма поворота 220 - обычный поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси.[75] The rotation mechanism unit 220 is mounted on the hand controller 1200 so as to be able to rotate relative to the longitudinal axis of the hand controller 1200 (this axis is shown in FIG. 2a), while providing one degree of freedom. For the operator’s wrist, such rotation of the rotation mechanism block 220 is a usual rotation of the radius along with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis.

[76] Блок механизма поворота имеет корпус эргономичной формы, внутри которого располагается рама, являющаяся по существу вертикальной площадкой 221. На раме блока механизма поворота смонтированы элементы указанного блока таким образом, чтобы обеспечить максимальную компактность конструкции и оптимальную развесовку блока. В некоторых вариантах осуществления на нижней части площадки 221 находится система грузов, которая крепится на нижней части рамы, для обеспечения равновесия в статическом положении и нахождения в вертикальном положении. Вес системы грузов можно определить расчетным путем исходя из интегрирования. Вес системы грузов и ее расположение рассчитывается из условия равновесия моментов вращений.[76] The rotation mechanism block has an ergonomically shaped body, inside which there is a frame, which is a substantially vertical platform 221. Elements of the said block are mounted on the frame of the rotation mechanism block in such a way as to ensure maximum compactness of the structure and optimal weight distribution of the block. In some embodiments, a load system is located on the bottom of the pad 221, which is secured to the bottom of the frame to provide balance in a static position and to be in an upright position. The weight of the cargo system can be determined by calculation based on integration. The weight of the cargo system and its location is calculated from the condition of equilibrium of the moments of rotation.

[77] Форма корпуса 222 блока механизма поворота 220 имеет такую геометрию, чтобы иметь возможность максимально приблизить контроллер кисти и обеспечить при этом полную траекторию перемещения контроллера кисти 100 (фиг. 2б). В предпочтительном варианте осуществления контроллера запястья 200 согласно изобретению корпус 222 имеет форму параллелепипеда, одна сторона которого, обращенная в сторону расположения контроллера кисти 100, имеет вогнутую поверхность небольшого радиуса. Использование корпуса 222 такой эргономичной формы обеспечивает максимальную компактность конструкции и оптимальную развесовку блока.[77] The shape of the housing 222 of the rotation mechanism unit 220 has such a geometry as to be able to bring the brush controller as close as possible and at the same time ensure the full path of the brush controller 100 (Fig. 2b). In a preferred embodiment of the wrist controller 200 according to the invention, the housing 222 has a parallelepiped shape, one side of which, facing the location of the brush controller 100, has a concave surface of small radius. The use of the housing 222 of such an ergonomic shape provides maximum compactness and optimal weight distribution of the unit.

[78] Блок механизма поворота 220 контроллера запястья включает следующие элементы: приводной элемент 223 блока подвижной консоли, датчик поворота блока механизма поворота, приводной элемент 224 блока механизма поворота, по меньшей мере один блок управления контроллера запястья и/или контроллера кисти (не показан на фиг. 2), выполненный с возможностью считывания сигналов с датчиков поворота блока механизма поворота и блока подвижной консоли и подачи управляющих сигналов на приводные элементы указанных блоков. В предпочтительных вариантах осуществления блок механизма поворота 220 также включает датчик поворота блока подвижной консоли. На фиг. 2 отражены возможные варианты расположения и крепления 225 датчика поворота блока подвижной консоли. В некоторых вариантах осуществления возможна установка нескольких датчиков поворотов блока подвижной консоли. Установка избыточного количества датчиков поворота позволит повысить точность измерения угла наклона запястья и предоставит возможность использования алгоритмов коррекции угла. Предпочтительный вариант расположения датчика поворота блока механизма поворота, измеряющего угол наклона механизма поворота, указанпозицией226.[78] The wrist controller pivoting mechanism block 220 includes the following elements: the movable console unit drive element 223, the pivoting mechanism block rotation sensor, the pivoting mechanism drive element 224, at least one control unit of the wrist controller and / or brush controller (not shown in Fig. 2), configured to read signals from the rotation sensors of the rotation mechanism unit and the movable console unit and to supply control signals to the drive elements of these units. In preferred embodiments, the implementation of the rotation mechanism unit 220 also includes a rotation sensor of the movable console unit. In FIG. 2 illustrates possible location and mounting options 225 of the rotation sensor of the movable console unit. In some embodiments, it is possible to install multiple rotation sensors of the movable console unit. Installing an excessive number of rotation sensors will improve the accuracy of measuring the angle of the wrist and provide the ability to use angle correction algorithms. The preferred arrangement of the rotation sensor of the rotation mechanism unit measuring the angle of inclination of the rotation mechanism is indicated at 226.

[79] В одном из вариантов осуществления внутри корпуса 222 контроллера запястья расположена рама 221, на которой смонтированы датчик поворота блока подвижной консоли, приводной элемент 223 блока подвижной консоли, механически связанный с блоком подвижной консоли 210, например, при помощи гибкой передачи или любым другим известным способом, и по меньшей мере один блок управления контроллера запястья и/или контроллера руки. Все перечисленные элементы электрически связаны между собой. Датчик поворота блока подвижной консоли расположен таким образом, чтобы определять абсолютное положение указанной консоли (угол) при осуществлении ее поворота, повторяющего поворот кисти относительно переднезадней оси, которая лежит в сагиттальной плоскости и контролирует движения приведения и отведения, происходящие во фронтальной плоскости.[79] In one embodiment, inside the wrist controller housing 222, a frame 221 is mounted on which a rotary unit assembly rotation sensor is mounted, a movable console unit drive element 223 mechanically coupled to the movable console unit 210, for example, by means of a flexible transmission or any other in a known manner, and at least one control unit of the wrist controller and / or hand controller. All of these elements are electrically connected. The rotation sensor of the movable console unit is located in such a way as to determine the absolute position of the indicated console (angle) when it is rotated, repeating the rotation of the brush relative to the anteroposterior axis, which lies in the sagittal plane and controls the movement of the reduction and abduction occurring in the frontal plane.

[80] В одном из вариантов осуществления контроллера запястья согласно изобретению на корпусе 222 неподвижного блока механизма поворота со стороны, противоположной вогнутой поверхности, закреплена площадка крепления, выполненная в виде пластины. Пластина предпочтительно выполнена плоской. Геометрия пластины может быть выбрана любой, не выходящей за пределы корпуса. На внешней стороне указанной пластины смонтирован приводной элемент 224 блока механизма поворота для осуществления его поворота вокруг заранее заданного центра, повторяющий поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора.[80] In one embodiment of the wrist controller according to the invention, a mounting plate made in the form of a plate is fixed on the housing 222 of the fixed unit of the rotation mechanism from the side opposite to the concave surface. The plate is preferably flat. The geometry of the plate can be chosen by anyone that does not extend outside the housing. A drive element 224 of a rotation mechanism block is mounted on the outside of the plate to rotate it around a predetermined center, repeating the rotation of the radius along with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator’s hand.

[81] Приводной элемент 224 блока механизма поворота может крепиться другой своей стороной к платформе позиционирования контроллера 1200 таким образом, чтобы в том числе передавать на него вес контроллера запястья и контроллера кисти.[81] The drive element 224 of the rotation mechanism unit can be attached with its other side to the positioning platform of the controller 1200 in such a way as to also transfer the weight of the wrist controller and the brush controller to it.

[82] В одном из вариантов осуществления датчик поворота блока механизма поворота расположен на оси вращения приводного элемента. Хотя указанный датчик может быть расположен в любом другом месте таким образом, чтобы определять абсолютное положение блока механизма поворота относительно контроллера кисти. Указанные элементы электрически связаны между собой и с блоком управления контроллера запястья.[82] In one embodiment, the rotation sensor of the rotation mechanism unit is located on the axis of rotation of the drive element. Although the specified sensor can be located in any other place so as to determine the absolute position of the block of the rotation mechanism relative to the brush controller. These elements are electrically connected with each other and with the control unit of the wrist controller.

[83] Использование по меньшей мере одного датчика определения угла поворота для каждой вращательной степени свободы позволяет определять абсолютное положение угла наклона контроллера запястья. В некоторых вариантах осуществления в дополнение к датчикам поворота для определения абсолютного положения того или иного элемента, входящих в состав контроллера, указанные элементы могут быть оснащены тахометрами, измерителями ускорения и нагрузочными элементами индикации силы, каждый из которых может обеспечивать электрические сигналы, относящиеся к скорости, ускорению и силе, прилагаемым к соответствующему элементу.[83] The use of at least one rotation angle sensor for each rotational degree of freedom allows the absolute position of the angle of the wrist controller to be determined. In some embodiments, in addition to the rotation sensors for determining the absolute position of an element included in the controller, these elements can be equipped with tachometers, acceleration meters and load force indicating elements, each of which can provide electrical signals related to speed, acceleration and force applied to the corresponding element.

[84] Контроллер запястья, как и остальные элементы контроллера, может работать как в фазе передачи команд от запястья руки контроллеру запястья, так и в фазе передач команд от контроллера запястья - запястью руки (режим обратной связи). При решении контроллером запястья прямой задачи осуществляется контроль угла поворота запястья во фронтальной плоскости относительно переднезадней оси кисти (приведение и отведение кисти, отклонение кисти оператора в сторону локтевой кости), а также контроль поворота запястья вокруг заранее заданного центра, повторяющий поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора. При решении обратной задачи перемещение запястья руки осуществляется соответствующим перемещению контроллера запястья образом.[84] The wrist controller, like the other elements of the controller, can operate both in the phase of transmitting commands from the wrist to the wrist controller, and in the phase of transmitting commands from the wrist controller to the wrist (feedback mode). When the wrist controller solves a direct task, the angle of rotation of the wrist in the frontal plane relative to the anteroposterior axis of the brush (bringing and removing the brush, the deviation of the operator’s hand toward the ulnar bone), as well as the control of the rotation of the wrist around a predetermined center, repeating the rotation of the radius with the brush around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator’s arm. When solving the inverse problem, the movement of the wrist is carried out in a manner corresponding to the movement of the controller of the wrist.

[85] Так, контроллер запястья, в частности, его составляющие элементы, такие как блок механизма поворота и блок подвижной консоли, могут независимо перемещаться согласно заранее составленной управляющей программе. Сигнал с системы числового программного управления(ЧПУ) поступает на цифровой блок управления контроллером, который на основе заданного алгоритма передает управляющие сигналы на блок управления контроллером запястья, который в свою очередь управляет работой приводного элемента блока механизма поворота рукоятки и/или блока подвижной консоли для того, чтобы осуществить поворот блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли на рассчитанный угол. При этом жестко закрепленная рукоятка с удерживающей этот корпус кистью руки к блоку подвижной консоли также поворачивается. Контроль соответствующих заданных углов поворота осуществляют датчик поворота блока механизма поворота и датчик поворота блока подвижной консоли.[85] Thus, the wrist controller, in particular, its constituent elements, such as the rotation mechanism unit and the movable console unit, can independently move according to a predetermined control program. The signal from the numerical control system (CNC) is fed to the digital control unit of the controller, which, based on a predetermined algorithm, transmits control signals to the control unit of the wrist controller, which in turn controls the operation of the drive element of the crank and / or movable console unit in order to rotate the rotation mechanism unit and / or the movable console unit by the calculated angle. At the same time, the rigidly fixed handle with the hand holding this body to the movable console unit also rotates. Control of the corresponding predetermined rotation angles is carried out by the rotation sensor of the rotation mechanism unit and the rotation sensor of the mobile console unit.

[86] Приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли при поступлении управляющего сигнала на них осуществляют поворот контроллера запястья по двум степеням свободы.[86] The drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the mobile console unit, upon receipt of a control signal, rotate the wrist controller in two degrees of freedom.

[87] При возникновении усилий со стороны оператора контроллер запястья контролирует и оцифровывает отклонение запястья относительно переднезадней оси, находящейся в сагиттальной плоскости (отведение или приведение кисти, которое также иногда называется лучевой девиацией кисти), а также поворот запястья вокруг заранее заданного центра, повторяющий поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора.[87] When efforts are made by the operator, the wrist controller monitors and digitizes the deviation of the wrist relative to the anteroposterior axis located in the sagittal plane (abduction or adduction of the hand, which is also sometimes called radial deviation of the hand), as well as the rotation of the wrist around a predetermined center, repeating the rotation the radius along with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator’s arm.

[88] При отклонении блока подвижной консоли запястьем руки оператора от переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости датчик поворота блока подвижной консоли формирует цифровой сигнал об угле поворота и передает его в блок управления контроллера запястья, который рассчитывает угол отклонения консоли передает эту информацию в цифровой блок управления контроллером, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ.[88] When the mobile console unit deviates by the operator’s wrist from the anteroposterior axis lying in the sagittal plane, the rotation sensor of the mobile console unit generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of the console’s deviation and transmits this information to the digital unit control the controller, which is configured to transmit the received signals to the system of numerical program control (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer .

[89] При повороте блока механизма поворота вокруг заранее заданного центра запястьем руки оператора датчик поворота блока механизма поворота формирует цифровой сигнал об угле поворота и передает его в блок управления контроллера запястья, который рассчитывает угол отклонения блока относительно продольной оси руки оператора и передает эту информацию в цифровой блок управления контроллером, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ.[89] When the rotation mechanism block is rotated around a predetermined center by the operator’s wrist, the rotation sensor of the rotation mechanism block generates a digital signal about the rotation angle and transfers it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of deviation of the block relative to the longitudinal axis of the operator’s hand and transmits this information to a digital controller control unit, which is configured to transmit the received signals to the controller's numerical control system (CNC), which can be olnena based computers.

[90] Цифровой блок управления контроллером рассчитывает возможную траекторию поворота блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли и при помощи подачи управляющего сигнала на приводной элемент блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли перемещает блок механизма поворота и/или блок подвижной консоли и непосредственно само запястье руки оператора в расчетную позицию.[90] The digital controller control unit calculates the possible trajectory of the rotation of the rotation mechanism unit and / or the mobile console unit and, by applying a control signal to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the mobile console unit, moves the rotation mechanism unit and / or the mobile console unit directly operator’s own wrist in the calculated position.

[91] В некоторых вариантах осуществления изобретения при приложении усилия запястьем руки для поворота контроллера запястья в двух ортогональных плоскостях цифровой блок управления контроллером может обеспечивать сопротивление/противодействие или придание ускорения блоку механизма поворота или блоку подвижной консоли, и, соответственно, руке человека с заданными/расчетными усилиями и ускорениями путем подачи управляющих сигналов на приводные элементы соответствующих блоков. Механизм сопротивления/противодействия может быть включен постоянно путем подачи сигнала с системы числового программного управления (ЧПУ) контроллера. Например, «подтормаживание» блоков, совместное или независимое, может осуществляться в случае, если движение ограничено определенным углом поворота от оси.[91] In some embodiments of the invention, by applying a wrist force to rotate the wrist controller in two orthogonal planes, the digital controller control unit may provide resistance / counteraction or acceleration to the rotation mechanism unit or the unit of the movable console, and, accordingly, to the person’s arm with / design efforts and accelerations by supplying control signals to the drive elements of the respective blocks. The resistance / counteraction mechanism can be continuously switched on by supplying a signal from the controller's numerical control system (CNC). For example, “braking” blocks, joint or independent, can be carried out if the movement is limited to a certain angle of rotation from the axis.

[92] Управляющий сигнал, поступающий на приводные элементы блоков подвижной консоли и/или механизма поворота контроллера запястья может быть сформирован для осуществления «попутного» движения указанных блоков для облегчения перемещения контроллера оператором, уменьшая вес подвижных элементов.[92] A control signal supplied to the drive elements of the blocks of the movable console and / or the rotation mechanism of the wrist controller can be formed to implement the "associated" movement of these blocks to facilitate the movement of the controller by the operator, reducing the weight of the moving elements.

[93] Система числового программного управления (ЧПУ) контроллера обеспечивает преобразование координат блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли в координаты управляемого исполнительного устройства мехатронного комплекса и формирование сигналов управления приводами по каждой степени подвижности исполнительного устройства таким образом, чтобы то или иное движение исполнительного устройства соответствовало направлению, в котором оператор воздействовал на контроллер запястья в составе контроллера.[93] The controller's numerical control system (CNC) provides the conversion of the coordinates of the rotation mechanism unit and / or the mobile console unit to the coordinates of the controlled actuator of the mechatronic complex and the formation of drive control signals for each degree of mobility of the actuator so that one or another movement of the actuator the device corresponded to the direction in which the operator acted on the wrist controller as part of the controller.

[94] В некоторых вариантах осуществления конструкция контроллера снабжена датчиком присутствия, который выполнен с возможностью определять присутствие людей в помещении, а также их количество, позу и положение их тел, независимо от того двигаются они или нет. В принципе работы датчиков присутствия используются две технологии: ультразвуковая и инфракрасная, для определения присутствия людей в помещении. Датчик присутствия выполнен с возможностью передачи сигнала блокам управления контроллера кисти, контроллера запястья и цифровому блоку управления контроллером.[94] In some embodiments, the controller design is equipped with a presence sensor that is configured to detect the presence of people in the room, as well as their number, position and position of their bodies, regardless of whether they move or not. In principle, the presence sensors use two technologies: ultrasonic and infrared, to determine the presence of people in the room. The presence sensor is configured to transmit a signal to the control units of the brush controller, the wrist controller and the digital control unit of the controller.

[95] В некоторых вариантах осуществления изобретения цифровой блок управления контроллером получает сигнал от датчика присутствия и направляет управляющие сигналы на блок приводов контроллера, на блок управления контроллера запястьем, на блок управления кисти, которые в свою очередь управляют работой приводных элементов контроллера запястья и приводных элементов контроллера кисти и оснащены электромагнитными тормозами. Электромагнитные тормоза включаются при получении управляющего сигнала от цифрового блока управления контроллером. При этом контроллер блокируется в том положении, в котором он находился в момент подачи сигнала с датчика присутствия, когда оператор убрал руки с рукоятки контроллера кисти. Электромагнитные тормоза также включаются при случайном отключении электропитания.[95] In some embodiments of the invention, the digital controller control unit receives a signal from the presence sensor and directs control signals to the controller drive unit, to the controller control unit by the wrist, to the brush control unit, which in turn control the operation of the drive elements of the wrist controller and the drive elements brush controller and equipped with electromagnetic brakes. Electromagnetic brakes are activated when a control signal is received from the digital control unit of the controller. In this case, the controller is locked in the position in which it was at the time of the signal from the presence sensor, when the operator removed his hands from the handle of the brush controller. Electromagnetic brakes also turn on in the event of an accidental power outage.

[96] Таким образом, в дальнейшем контроллер в целом не может изменить свое положение и не может передать сигнал об изменении своего положения опосредованно на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера даже под воздействием приложенных на него сил. В некоторых вариантах осуществления при необходимости датчик присутствия может быть отключен.[96] Thus, in the future, the controller as a whole cannot change its position and cannot transmit a signal about the change in its position indirectly to the controller's numerical control system (CNC) even under the influence of forces applied to it. In some embodiments, the presence sensor may be disabled, if necessary.

[97] Цифровой блок управления контроллером в общем случае является частью многофункционального контроллера и обеспечивает двунаправленный обмен данными между блоком приводов контроллера, блоками управления контроллера кисти и контроллера запястья и дополнительным оборудованием. Цифровой блок управления также имеет возможность синхронного управления указанными механизмами контроллера.[97] The digital controller control unit is generally part of a multifunctional controller and provides bi-directional data exchange between the controller drive unit, the brush controller and wrist controller control units, and additional equipment. The digital control unit also has the ability to synchronously control these controller mechanisms.

[98] Блок управления контроллера запястья может быть сопряжен с цифровым блоком управления контроллером посредством общей шины передачи данных. Цифровой блок управления контроллером выполнен с возможностью записи данных о получаемых или передаваемых командах.[98] The wrist controller control unit may be coupled to the controller digital control unit via a common data bus. The digital control unit of the controller is configured to record data on received or transmitted commands.

[99] Средства передачи данных выбираются из устройств, предназначенных для реализации процесса коммуникации между различными устройствами посредством проводной и/или беспроводной связи, в частности, такими устройствами могут быть: GSM модем, Wi-Fi приемопередатчик, Bluetooth или BLE модуль, GPRS модуль, Глонасс модуль, NFS, Ethernet и т.п.[99] The data transmission means are selected from devices designed to implement the communication process between different devices via wired and / or wireless communication, in particular, such devices can be: GSM modem, Wi-Fi transceiver, Bluetooth or BLE module, GPRS module, Glonass module, NFS, Ethernet, etc.

[100] Перед каждым использованием контроллера происходит его калибровка под пользователя. Контроллер обладает гибкими настройками, что позволяет его ориентировать под разные задачи. При пользовании контроллером его можно полностью адаптировать под оператора и его задачи.[100] Before each use of the controller, it is calibrated to the user. The controller has flexible settings, which allows it to be oriented to different tasks. When using the controller, it can be fully adapted to the operator and his tasks.

Описание конкретного варианта осуществления изобретенияDescription of a specific embodiment of the invention

[101] Одним из перспективных способов применения описанного выше контроллера является использование таких контроллеров в симуляторах хирурга для изучения в виртуальной среде виртуального пациента. С помощью контроллеров пользователь может в виртуальной среде перемещать предметы, поворачивать, хватать и производить все хирургические манипуляции.[101] One of the promising ways to use the controller described above is to use such controllers in surgeon simulators to study a virtual patient in a virtual environment. Using controllers, the user can move objects in a virtual environment, rotate, grab and perform all surgical procedures.

[102] Также описанный выше контроллер можно использовать в роботохирургическом комплексе при проведении различных хирургических вмешательств, в том числе в урологии, гинекологии, абдоминальной, нейро- и кардиохирургии. Пример роботохирургического комплекса приведен на фиг. 4.[102] The controller described above can also be used in a robotic surgical complex during various surgical interventions, including urology, gynecology, abdominal, neuro- and cardiac surgery. An example of a robotic surgical complex is shown in FIG. 4.

[103] Роботохирургический комплекс 300 имеет в составе по меньшей мере один манипулятор 310 с прикрепленным к нему хирургическим инструментом 320, блоком управлением манипулятором 330 и интерфейс оператора 340, который получает команды от хирурга, преобразует их в движение хирургического инструмента 320 внутри тела пациента во время проведения хирургической операции и/или обеспечивает все управляющие команды от хирурга комплектующим роботохирургического комплекса. Главным источником команд является рука хирурга. Рука управляет контроллером хирурга, входящего в состав интерфейса хирурга.[103] The robotic surgical complex 300 includes at least one manipulator 310 with a surgical instrument 320 attached to it, a manipulator control unit 330, and an operator interface 340, which receives commands from the surgeon, converts them into movement of the surgical instrument 320 inside the patient’s body during carrying out a surgical operation and / or provides all control teams from the surgeon with components of the robotic surgical complex. The main source of commands is the surgeon's hand. The hand controls the controller of the surgeon, which is part of the surgeon's interface.

[104] Контроллер хирурга преобразует механические движения руки по шести степеням свободы в команды для роботохирургического комплекса 300. Контролер формирует команду на перемещение хирургического инструмента. Дополнительно контроллер выполняет управление поворотами и открытием-закрытием бранша на хирургическом инструменте.[104] The controller of the surgeon converts the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into teams for the robotic surgical complex 300. The controller generates a command to move the surgical instrument. In addition, the controller controls the turns and opening-closing of the jaw on the surgical instrument.

[105] Обычно манипуляторы с хирургическим инструментом смонтированы на хирургическом столе, на котором лежит пациент при проведении операции. В некоторых вариантах осуществления манипуляторы могут быть помещены на тележку или какое-то другое приспособление, в котором манипуляторы будут находиться проксимальнее уровня пациента. Следует понимать, что роботохирургический комплекс 300 может иметь любое число манипуляторов, так, например, один или более манипуляторов. Манипуляторы могут иметь любую конфигурацию.[105] Typically, manipulators with a surgical instrument are mounted on the surgical table on which the patient rests during surgery. In some embodiments, the manipulators may be placed on a trolley or some other device in which the manipulators will be proximal to the patient's level. It should be understood that the robotic surgical complex 300 may have any number of manipulators, for example, one or more manipulators. Manipulators can have any configuration.

[106] Каждый манипулятор 310 имеет корпус и узел манипулятора, к которому съемно может быть присоединен хирургический инструмент 320, движение и расположение которого имеет возможность манипулировать хирург с помощью контроллера, который оцифровывает руку хирурга. Контроллер управления разделен на два самостоятельных контроллера - контроллер кисти и контроллер запястья. Такое разделение позволяет разделить вращательные движения руки хирурга с учетом биологических особенностей строения руки.[106] Each manipulator 310 has a body and a manipulator assembly to which a surgical instrument 320 can be removably attached, the movement and location of which can be manipulated by a surgeon using a controller that digitizes the surgeon's hand. The control controller is divided into two separate controllers - the brush controller and the wrist controller. This separation allows you to separate the rotational movements of the surgeon's hand, taking into account the biological features of the structure of the hand.

[107] Настоящее изобретение, раскрытое в данной заявке, по существу представляет собой контроллер запястья, имеющий малые габариты и позволяющий точно определять положение и ориентацию в пространстве запястья хирурга, не создавая при этом лишнюю нагрузку на запястье хирурга. Разработанный контроллер запястья обладает достаточной жесткостью конструкции, причем рабочая область контроллера запястья не ограничивается линейными размерами и механическими особенностями реализации, позволяя работать в полной амплитуде перемещений запястья хирурга. Также контроллер запястья учитывает особенности работы хирурга во время операции, при которых возможно столкновение контроллеров друг с другом при сведении, либо столкновение с коленями хирургам, обеспечивая при это максимально возможное рабочее пространство, реализуемое в данном диапазоне. Контроллер запястья оснащен системой обратной тактильной связи.[107] The present invention disclosed in this application is essentially a wrist controller having small dimensions and allowing to accurately determine the position and orientation in the space of the surgeon’s wrist, without creating unnecessary strain on the wrist of the surgeon. The developed wrist controller has sufficient structural rigidity, and the working area of the wrist controller is not limited to linear dimensions and mechanical features of the implementation, allowing the surgeon to operate in the full range of movements of the wrist. Also, the wrist controller takes into account the peculiarities of the surgeon during the operation, in which the controllers may collide with each other during the reduction, or collision with the knees of the surgeons, while ensuring the maximum possible working space realized in this range. The wrist controller is equipped with a tactile feedback system.

[108] Контроллер запястья используется в составе контроллера роботизированного комплекса как элемента управления для обеспечения функции вращения манипулятора с хирургическим инструментом вокруг одной оси и для обеспечения функции поворота хирургического инструмента вокруг одной оси. Контроллер запястья является механическим устройством, осуществляющим взаимодействие по двум вращательным осям. Контроль действия рук хирурга по третьей вращательной оси обеспечивается контроллером кисти, который в рамках данной патентной заявки не рассматривается, но проведение полноценной хирургической операции является возможным лишь при реализации всего контроллера управления роботизированным комплексом, который позволяет задавать три вращательные оси.[108] The wrist controller is used as part of the robotic complex controller as a control element to provide the rotation function of the manipulator with the surgical instrument around one axis and to provide the rotation function of the surgical instrument around one axis. The wrist controller is a mechanical device that interacts along two rotational axes. The control of the surgeon's hands on the third rotational axis is provided by the brush controller, which is not considered in the framework of this patent application, but a full-fledged surgical operation is possible only with the implementation of the entire robot control complex, which allows you to set three rotational axes.

[109] В некоторых вариантах осуществления изобретения для контакта руки хирурга с контроллером запястья используется устройство активного захвата, которое может использоваться как контроллер кисти в случае его модификации с учетом требований, предъявляемых к контроллеру кисти. Стоит отметить, что в качестве активного устройства захвата могут выступать любые конструкции с различными геометрическими и эргономичными характеристиками в зависимости от вида решаемой задачи.[109] In some embodiments of the invention, an active grip device is used to contact the surgeon’s hand with the wrist controller, which can be used as a brush controller if modified, taking into account the requirements for the brush controller. It is worth noting that any design with various geometric and ergonomic characteristics can act as an active capture device, depending on the type of problem being solved.

[110] Устройство активного захвата и контроллер запястья должен учитывать все линейные размеры расстояний между центрами суставов руки, ее кисти и запястья. Для описания конфигурационных параметров запястья используются параметры геометрии позиций и направлений. Описание направлений будет возможно лишь при связывании систем координат с запястьем, в этом случае базовая система координат будет связана непосредственно с контроллером запястья, и начальной точкой системы координат будет являться точка, в которой сходятся все вращательные оси.[110] The active grip device and the wrist controller must take into account all linear dimensions of the distances between the centers of the joints of the hand, its wrist and wrist. To describe the configuration parameters of the wrist, the geometry parameters of positions and directions are used. The description of directions will be possible only by linking coordinate systems with the wrist, in this case the base coordinate system will be connected directly to the wrist controller, and the starting point of the coordinate system will be the point at which all rotational axes converge.

[111] В базовой системе координат вектор начала системы координат запястья будет совпадать с последовательностью поворотов относительно осей вращения на углы Эйлера. Углы Эйлера определяют три поворота системы, которые позволяют привести любое положение системы к текущему.Повороты системы на эти углы называются прецессия, нутация и поворот на собственный угол (вращение). При этом нутационный процесс контроллера запястья аналогичен повороту кисти относительно переднезадней оси, которая лежит в сагиттальной плоскости и контролирует движения приведения и отведения, происходящие во фронтальной плоскости. Процесс вращения контроллера запястья аналогичен повороту лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости.[111] In the base coordinate system, the vector of the beginning of the wrist coordinate system will coincide with the sequence of rotations with respect to the rotation axes at Euler angles. Euler angles determine three system rotations that allow you to bring any position of the system to the current one. System rotations at these angles are called precession, nutation, and rotation at its own angle (rotation). In this case, the nutation process of the wrist controller is similar to the rotation of the hand relative to the anteroposterior axis, which lies in the sagittal plane and controls the reduction and abduction movements that occur in the frontal plane. The rotation of the wrist controller is similar to the rotation of the radius along with the hand around the ulna.

[112] На этом утверждении можно на содержательном уровне сформулировать задачи, которые также должен решать контроллер запястья, которые также можно назвать как решение прямой и обратной кинематической задачи преобразования:[112] On this statement, it is possible to formulate at a substantial level the tasks that the wrist controller should also solve, which can also be called as the solution of the direct and inverse kinematic transformation problems:

[113] Прямая задача - задача определения координатного описания параметров пространственного положения и ориентации хирургического инструмента по заданной совокупности значений углов поворота относительно осей вращения, полученных при помощи контроллера запястья.[113] The direct task is the task of determining the coordinate description of the parameters of the spatial position and orientation of the surgical instrument from a given set of values of rotation angles with respect to the rotation axes obtained using the wrist controller.

[114] Обратная задача - задача построения заданной позиции ориентации запястья при помощи контроллера запястья и связанная с этим задача определения всех требуемых углов вращения.[114] The inverse problem is the task of constructing a given position of the orientation of the wrist using the wrist controller and the associated task of determining all the required angles of rotation.

[115] При этом должен учитываться главный принцип однозначности, что будет гарантировать однозначное положение и ориентацию хирургического инструмента при заданных направляющих командах. Конструкция контроллера запястья позволяет отслеживать положение запястья хирурга, передавать изменение ориентации в виде цифрового сигнала, отображающего изменения угла отклонения относительно осей вращения и нутации. Эти величины используются как входные данные в кинематических расчетах предполагаемого положения конца хирургического инструмента и позволяют интерпретировать данные сигналы как управляющие команды. Сама кинематика преобразования задающих углов в управляющие команды в рамках рассматриваемой заявки не рассматривается, но само понимание того, в какой форме представлять измеряемые данные, является важной деталью в контексте решаемой задачи.[115] In this case, the main principle of uniqueness should be taken into account, which will guarantee the unambiguous position and orientation of the surgical instrument with given guiding commands. The design of the wrist controller allows you to track the position of the wrist of the surgeon, to transmit a change in orientation in the form of a digital signal that displays changes in the angle of deviation relative to the axes of rotation and nutation. These values are used as input in kinematic calculations of the estimated position of the end of the surgical instrument and allow these signals to be interpreted as control commands. The kinematics of the conversion of the defining angles into control teams within the framework of the application under consideration is not considered, but the understanding of how to present the measured data is an important detail in the context of the problem being solved.

[116] Контроллер запястья хирурга состоит из блока подвижной консоли и блока механизма поворота, описанных выше. На фиг. 5 представлен предпочтительный вариант реализации конструкции контроллера запястья. В частности, на фиг.5изображено крепление консолей к приводному элементу, реализующего нутационное движение контроллера запястья. В верхней части площадки 221 перпендикулярно к ней параллельно расположены две плоские пластины 227, механически соединенные с площадкой 221. К отверстиям 228 указанных пластин подсоединяется консоль.[116] The surgeon’s wrist controller consists of a movable console unit and a rotation mechanism unit, as described above. In FIG. 5 shows a preferred embodiment of a wrist controller design. In particular, figure 5 shows the mounting of the consoles to the drive element that implements the nutational movement of the wrist controller. In the upper part of the platform 221, two flat plates 227 are arranged parallel to it parallel to it, mechanically connected to the platform 221. A console is connected to the holes 228 of these plates.

[117] Добавление гибкой передачи 229, либо иного другого известного способа передачи, позволяет физически вынести приводной механизм 223 и измерительное средство угла поворота и механически соединить с шарнирным соединением, реализующим поворот. Такое конструкционное решение является эффективным, так как это позволяет развесить конструкцию без добавления дополнительных элементов и без кардинальных изменений механических особенностей.[117] Adding a flexible transmission 229, or another other known transmission method, allows the drive mechanism 223 and the measuring means of the rotation angle to be physically removed and mechanically coupled to the swivel realizing the rotation. Such a structural solution is effective, as it allows you to hang the structure without adding additional elements and without drastic changes in mechanical features.

[118] С противоположной стороны площадки 221 на уровне оси, проходящей через центр реализовано устройство измерения поворота и приводной элемент 224 для оси вращения. Изменение угла нутации меняет всю ориентацию конструкции контроллера запястья и активного устройства захвата относительно данной оси. Данный факт учитывается на этапе математических преобразований полученных углов, но это подтверждается и биологических строением руки человека. Так, поворот предплечья вокруг локтевого соединения поворачивает кисть, запястье и ладонь. Такой подход к полному воспроизведению и фиксации поворотов руки хирурга при проведении роботохирургической операции позволяет добиться интуитивно понятного взаимодействия с системой, что упрощает проведение хирургической операции, а также снижает порог вхождения при освоении комплекса, так как нет необходимости дополнительно обучаться управлению системой.[118] On the opposite side of the pad 221, at the axis level passing through the center, a rotation measuring device and a drive element 224 for the rotation axis are implemented. Changing the angle of nutation changes the entire orientation of the design of the wrist controller and the active capture device relative to this axis. This fact is taken into account at the stage of mathematical transformations of the obtained angles, but this is also confirmed by the biological structure of the human hand. So, turning the forearm around the elbow joint rotates the wrist, wrist and palm. This approach to the complete reproduction and fixation of the surgeon’s arm turns during a robotic surgery allows for intuitive interaction with the system, which simplifies the surgical operation and also lowers the entry threshold for the development of the complex, since there is no need to additionally learn how to control the system.

[119] Контроллер запястья крепится к механизму с параллельной кинематической структурой типа дельта-робот, задачей которого будет являться обеспечение по меньшей мере трех поступательных степеней свободы. Данное крепление может быть осуществлено любым известным способом крепления.[119] The wrist controller is attached to a mechanism with a parallel kinematic structure such as a delta robot, whose task will be to ensure at least three translational degrees of freedom. This fastening can be carried out by any known mounting method.

[1] В качестве приводных элементов, используемых в контроллере запястья, могут быть применены бесколлекторные моторы постоянного тока. Выбор моторов обусловлен требованиями к системе: сравнительно низкая частота вращения, большой вращающий момент, малая масса и габаритные размеры. Недостатком таких моторов является необходимость в наличии системы автоматического управления для регулирования оборотом и вращающего момента, что не является существенной сложностью в рамках описываемого решения. Преимуществами использования бесколлекторных моторов является высокая надежность и долговечность за счет отсутствия коллекторного узла, подверженного износу.[1] Brushless DC motors can be used as drive elements used in the wrist controller. The choice of motors is determined by the requirements for the system: a relatively low speed, high torque, low weight and overall dimensions. The disadvantage of such motors is the need for an automatic control system to control the rotation and torque, which is not a significant difficulty in the framework of the described solutions. The advantages of using brushless motors are high reliability and durability due to the absence of a collector assembly subject to wear.

[120] Для точного определения углов поворота степеней свободы в контроллере запястья в качестве датчиков поворота были применены энкодеры, выбранные из энкодеров оптического, магнитного или иного принципа действия или в виде резистивного элемента. В предпочтительном варианте изобретения в качестве датчиков поворота используют высокоточные бесконтактные энкодеры на основе массивов датчиков Холла. На осях вращения каждой степени свободы находятся неодимовые магниты диаметральной намагниченности, вблизи которых расположены корпуса микросхем.[120] To accurately determine the angle of rotation of the degrees of freedom in the wrist controller, encoders selected from optical, magnetic, or other principle encoders or as a resistive element were used as rotation sensors. In a preferred embodiment of the invention, high-precision non-contact encoders based on arrays of Hall sensors are used as rotation sensors. On the axes of rotation of each degree of freedom there are neodymium magnets of diametrical magnetization, near which are housings of microcircuits.

[121] Энкодеры данного типа обладают такими преимуществами как высокая разрешающая способность (14 бит, 0.0219 градуса), возможность цифровой установки нулевого положения, высокое быстродействие, цифровой контур статуса и диагностики.[121] Encoders of this type have such advantages as high resolution (14 bits, 0.0219 degrees), the ability to digitally set the zero position, high speed, digital status loop and diagnostics.

[122] Энкодеры на основе магнитного эффекта обладают рядом особенностей эксплуатации, которые влияют на точность измерения:[122] Magnetic effect encoders have a number of operational features that affect the measurement accuracy:

- Чувствительность к шумам источника питания;- Sensitivity to noise of the power supply;

- Наличие оптимального расстояния от корпуса микросхемы до вращающегося магнита- The presence of the optimal distance from the housing of the chip to the rotating magnet

- Чувствительность к линейному смещению оси вращения магнита.- Sensitivity to linear displacement of the axis of rotation of the magnet.

[123] Для достижения максимальной точности и чувствительности была разработана и применена печатная плата для установки микросхемы энкодера с учетом перечисленных особенностей (фиг. 6).[123] To achieve maximum accuracy and sensitivity, a circuit board was developed and applied to install the encoder chip, taking into account the listed features (Fig. 6).

[124] Точное пространственное позиционирование корпуса микросхемы относительно вращающегося магнита обеспечивается за счет крепежных отверстий 410 в печатной плате 300. Прижим печатной платы 400 к прилегающей поверхности реализуется за счет отсутствия по контуру платы 400 объемных элементов. Контактные площадки питания и данных предназначены для пайки проводов в обратную сторону от микросхемы энкодера. Стабильное напряжение питания и защита от импульсных помех обеспечивается применением двух конденсаторов в линии питания.[124] The exact spatial positioning of the microcircuit housing relative to the rotating magnet is provided by the mounting holes 410 in the printed circuit board 300. The clip of the printed circuit board 400 to the adjacent surface is realized due to the absence of surround elements on the circuit board 400. The power and data pads are designed for soldering wires in the opposite direction from the encoder chip. Stable supply voltage and surge protection are provided by the use of two capacitors in the supply line.

[125] На фиг. 6 приведен сборочный чертеж печатной платы 400 для установки цифрового магнитного энкодера. На фиг. 6 обозначено: 420 - посадочное место микросхемы энкодера, 410 - Крепежные отверстия печатной платы, 430 - контактные площадки питания и данных.[125] In FIG. 6 is an assembly drawing of a printed circuit board 400 for mounting a digital magnetic encoder. In FIG. 6 marked: 420 - the seat of the encoder chip, 410 - the mounting holes of the printed circuit board, 430 - contact pads for power and data.

[126] В предпочтительном варианте изобретения блок управления контроллером запястья реализован на основе двух печатных плат: одна отвечает за силовую развязку и преобразование напряжения, к ней дополнительно соединены драйверы управления приводными элементами, а вторая отвечает за прием и обработку данных, полученных с измерительных устройств и взаимодействие с драйверами управления приводных элементов по заданным алгоритмам. На фиг.7 и фиг.8 изображены трехмерные модели силовой платы 500 и платы управления 600 соответственно. Конструкция печатной платы управления 600 предусматривает установку энкодера 610 на одну из ее сторон, что устраняет необходимость в использовании отдельной печатной платы энкодера для измерения угла наклона блока механизма поворота. Общий вид устройства с закрепленными платами 500, 600 на механическую плоскую площадку 221, являющейся частью контроллера запястья, представлен на фиг. 9.[126] In a preferred embodiment of the invention, the wrist controller control unit is implemented on the basis of two printed circuit boards: one is responsible for power isolation and voltage conversion, additional drive element control drivers are connected to it, and the second is responsible for receiving and processing data received from measuring devices and interaction with control drivers of drive elements according to specified algorithms. Figures 7 and 8 illustrate three-dimensional models of a power board 500 and a control board 600, respectively. The design of the control circuit pack 600 provides for the installation of an encoder 610 on one of its sides, which eliminates the need for a separate encoder circuit pack to measure the angle of inclination of the rotation mechanism unit. A general view of the device with fixed boards 500, 600 on a mechanical flat platform 221, which is part of the wrist controller, is shown in FIG. 9.

[127] Контроллер запястья хирурга работает следующим образом. Хирург располагает кисть руки на корпусе устройства захвата таким образом, корпус рукоятки зажат между ладонью и пальцами. При этом возникновение усилий со стороны хирурга для возникновения нутационных движений устройства захвата (контроллера кисти), которые соответствуют повороту кисти хирурга во фронтальной плоскости вокруг одной оси, лежащей в сагиттальной плоскости, вызывает поворот вызывает поворот хирургического инструмента одной оси. А возникновение усилий со стороны хирурга для вращения устройства захвата (контроллера кисти), которое соответствует повороту лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора, вызывает вращение манипулятора с хирургическим инструментом вокруг одной оси. Указанные выше действия позволяет реализовать конструкция контроллера запястья, которая позволяет выполнять одновременно несколько действий.[127] The controller of the wrist of the surgeon operates as follows. The surgeon places the hand on the body of the capture device so that the handle body is sandwiched between the palm and fingers. In this case, the occurrence of efforts on the part of the surgeon for the occurrence of nutational movements of the capture device (brush controller), which correspond to the rotation of the surgeon’s hand in the frontal plane around one axis lying in the sagittal plane, causes the rotation to cause the surgical tool to rotate on one axis. And the appearance of efforts on the part of the surgeon to rotate the capture device (hand controller), which corresponds to the rotation of the radius along with the hand around the ulnar bone relative to the longitudinal axis of the operator’s hand, causes the manipulator to rotate the surgical tool around one axis. The above actions allow you to implement the design of the wrist controller, which allows you to perform multiple actions simultaneously.

[128] Также контроллер запястья используется для ведения или передачи усилий на запястье руки хирурга. Более подробно процессы, описывающие передачу управляющих команд для работы контроллера запястья как в режиме управления манипулятора с хирургическим инструментом, так и в режиме передачи усилий на запястье хирурга, описаны выше.[128] Also, the wrist controller is used to guide or transmit forces to the wrist of the surgeon. The processes describing the transfer of control commands for the operation of the wrist controller in more detail both in the control mode of the manipulator with the surgical instrument and in the mode of transmitting efforts on the wrist of the surgeon are described in more detail above.

[129] Использование заявленной конструкции контроллера запястья позволяет увеличивать эффективность проводимых хирургических операций и обеспечивать поддержку хирургу с целью уменьшения усталости и утомляемости при проведении длительных операционных процедур.[129] Using the claimed design of the wrist controller can increase the efficiency of surgical operations and provide support to the surgeon in order to reduce fatigue and fatigue during long surgical procedures.

[130] В то время как изобретение было описано в определенных примерах и показано на сопровождающих чертежах, следует понимать, что подобные воплощения являются единственно иллюстративными и не ограничивают широту изобретения и что это изобретение не ограничивается показанными и описанными определенными конструкциями и системами, поскольку могут иметь место различные другие модификации, понятные для обычных специалистов этой области.[130] While the invention has been described in certain examples and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are only illustrative and do not limit the breadth of the invention, and that this invention is not limited to the specific structures and systems shown and described, as they may have place various other modifications that are understandable to ordinary specialists in this field.

Claims (21)

1. Контроллер запястья для контроллера оператора управления роботохирургическим комплексом, включающий:1. The wrist controller for the controller of the operator control the robotic complex, including: блок механизма поворота, который имеет верхнюю часть и нижнюю часть, корпус эргономичной формы, блок механизма поворота функционально сконфигурирован дляthe rotation mechanism unit, which has an upper part and a lower part, an ergonomically shaped body, the rotation mechanism unit is functionally configured for соединения с элементом, входящим в состав контроллера оператора, который предназначен для обеспечения функции управления перемещением манипулятора с хирургическим инструментом по трем взаимно ортогональным осям,connection with an element that is part of the operator’s controller, which is designed to provide the function of controlling the movement of the manipulator with the surgical instrument along three mutually orthogonal axes, и независимого поворота вокруг заранее заданного центра, повторяющего поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора, для обеспечения функции вращения манипулятора с хирургическим инструментом вокруг одной оси;and independent rotation around a predetermined center, repeating the rotation of the radius along with the hand around the ulnar bone relative to the longitudinal axis of the operator’s hand, to ensure the rotation function of the manipulator with the surgical instrument around one axis; по меньшей мере один блок подвижной консоли, который представляет собой плоский незамкнутый механизм параллельной жесткой структуры, состоящий из трех звеньев и трех кинематических пар, блок подвижной консоли функционально сконфигурирован дляat least one block of the movable console, which is a flat open mechanism of parallel rigid structure, consisting of three links and three kinematic pairs, the block of the movable console is functionally configured for крепления с одной стороны к верхней части блока механизма поворота, а с другой к верхней части рукоятки, охватываемой и удерживаемой всей поверхностью кисти оператора во время работы, которая также входит в состав контроллера оператора,fastening on the one hand to the upper part of the rotation mechanism block, and on the other to the upper part of the handle, covered and held by the entire surface of the operator’s brush during operation, which is also part of the operator’s controller, и поворота, повторяющего поворот кисти оператора во фронтальной плоскости вокруг переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости, для обеспечения функции поворота хирургического инструмента вокруг одной оси;and rotation, repeating the rotation of the operator’s hand in the frontal plane around the anteroposterior axis lying in the sagittal plane, to provide the rotation function of the surgical instrument around one axis; при этом внутри корпуса блока механизма поворота расположеныwhile inside the body of the block of the rotation mechanism are located блок управления контроллера запястья,wrist controller control unit, по меньшей мере один датчик поворота блока подвижной консоли, обеспечивающий электрические сигналы, соответствующие изменению положения блока подвижной консоли относительно блока механизма поворота при повороте кисти оператора, охватывающей рукоятку, во фронтальной плоскости вокруг переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости, и передающий их на блок управления контроллера запястья,at least one rotation sensor of the movable console unit, providing electrical signals corresponding to a change in the position of the movable console unit relative to the rotation mechanism unit when the operator’s hand covering the handle is rotated in the frontal plane about the anteroposterior axis lying in the sagittal plane and transmitting them to the control unit wrist controller приводной элемент блока подвижной консоли;a drive element of a movable console unit; при этом на внешней стороне корпуса блока механизма поворота расположеныwhile on the outer side of the housing of the block of the rotation mechanism are located датчик поворота блока механизма поворота, обеспечивающий электрические сигналы, соответствующие изменению положения блока механизма поворота относительно заранее заданного центра при повороте лучевой кости вместе с кистью оператора вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора, и передающий их на блок управления контроллера запястья,a rotation sensor of the rotation mechanism unit, providing electrical signals corresponding to a change in the position of the rotation mechanism unit relative to a predetermined center when the radius is rotated together with the operator’s brush around the ulnar bone relative to the longitudinal axis of the operator’s hand, and transmitting them to the wrist controller control unit, приводной элемент блока механизма поворота, причем датчик поворота блока механизма поворота расположен на оси вращения приводного элемента блока механизма поворота;a drive element of the rotation mechanism unit, wherein the rotation sensor of the rotation mechanism unit is located on a rotation axis of the rotation element of the rotation mechanism unit; причем блок управления контроллера запястья функционально сконфигурирован дляmoreover, the control unit of the wrist controller is functionally configured for передачи полученных сигналов на цифровой блок контроллера оператора и на внешнюю систему управления роботохирургическим комплексом для передачи движения блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли в соответствующее независимое движение манипулятора с хирургическим инструментом и/или хирургического инструмента,transmitting the received signals to the digital block of the operator’s controller and to the external control system of the robotic surgical complex for transmitting the movement of the rotation mechanism block and / or the block of the mobile console to the corresponding independent movement of the manipulator with the surgical instrument and / or surgical instrument получения управляющих сигналов от внешней системы управления роботохирургическим комплексом и передачи их на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли для передачи движения манипулятора с хирургическим инструментом и/или хирургического инструмента в соответствующее независимое движение указанных блоков.receiving control signals from an external control system of the robotic surgical complex and transmitting them to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the mobile console unit to transmit the movement of the manipulator with the surgical instrument and / or surgical instrument into the corresponding independent movement of these blocks. 2. Контроллер запястья по п. 1, в котором корпус блока механизма поворота имеет эргономичную форму и выполнен с углублением таким образом, чтобы иметь возможность максимально приблизить корпус рукоятки, полностью охватываемой кистью оператора, и обеспечить при этом полную траекторию перемещения указанной рукоятки.2. The wrist controller according to claim 1, in which the housing of the rotation mechanism unit is ergonomically shaped and made with a recess in such a way as to be able to bring the handle housing fully covered by the operator’s brush as close as possible, while ensuring a complete trajectory of movement of the handle. 3. Контроллер запястья по п.1, в котором цифровой блок управления контроллером оператора формирует управляющие сигналы через блок управления запястья на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли для обеспечения поворота указанных блоков в сторону, совпадающую с поворотом кисти оператора вместе с лучевой костью вокруг локтевой кости и/или при отклонении кисти оператора в сторону локтевой кости или в сторону, противоположную повороту кисти и/или отведению кисти соответственно.3. The wrist controller according to claim 1, in which the digital control unit of the controller of the operator generates control signals through the control unit of the wrist to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the mobile console unit to ensure that said blocks rotate in a direction that coincides with the rotation of the operator’s brush together with the radius around the ulna and / or when the operator’s hand is deflected towards the ulna or in the direction opposite to the turn of the hand and / or abduction of the hand, respectively. 4. Контроллер запястья по п. 1, в котором в нижней части корпуса блока механизма поворота смонтирована система грузов обеспечения равновесия в статическом положении и нахождения в вертикальном положении.4. The wrist controller according to claim 1, in which in the lower part of the housing of the turning mechanism unit a weight system is mounted to ensure equilibrium in a static position and to be in an upright position. 5. Контроллер запястья по п.1, в котором приводной элемент блока подвижной консоли механически связан с блоком подвижной консоли при помощи гибкой передачи.5. The wrist controller according to claim 1, in which the drive element of the movable console unit is mechanically coupled to the movable console unit using a flexible transmission.
RU2019138039A 2019-11-25 2019-11-25 Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller RU2718568C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138039A RU2718568C1 (en) 2019-11-25 2019-11-25 Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller
PCT/RU2020/050343 WO2021107820A1 (en) 2019-11-25 2020-11-23 Wrist controller for robotic surgical complex

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138039A RU2718568C1 (en) 2019-11-25 2019-11-25 Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2718568C1 true RU2718568C1 (en) 2020-04-08

Family

ID=70156413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019138039A RU2718568C1 (en) 2019-11-25 2019-11-25 Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2718568C1 (en)
WO (1) WO2021107820A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU203739U1 (en) * 2020-10-16 2021-04-19 Общество с ограниченной ответственностью "ПРОМОБОТ" Servo control board

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114569251B (en) * 2022-03-02 2023-12-05 中南大学 Double arm manipulator system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6000387B2 (en) * 2009-11-13 2016-09-28 インテュイティブ サージカル オペレーションズ, インコーポレイテッド Master finger tracking system for use in minimally invasive surgical systems
KR101789064B1 (en) * 2009-11-13 2017-10-23 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 Method and system for hand control of a teleoperated minimally invasive slave surgical instrument
RU2640002C2 (en) * 2012-06-28 2017-12-25 Этикон Эндо-Серджери, Инк. Rotary drive structures for surgical instruments
US20180168758A1 (en) * 2015-06-16 2018-06-21 Titan Medical Inc. Hand grip apparatus for receiving operator input in a robotic surgery system
WO2018112227A2 (en) * 2016-12-15 2018-06-21 Intuitive Surgical Operations, Inc. Actuated grips for controller
US20190000574A1 (en) * 2014-09-04 2019-01-03 Memic Innovative Surgery Ltd. Control of device including mechanical arms

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6000387B2 (en) * 2009-11-13 2016-09-28 インテュイティブ サージカル オペレーションズ, インコーポレイテッド Master finger tracking system for use in minimally invasive surgical systems
KR101789064B1 (en) * 2009-11-13 2017-10-23 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 Method and system for hand control of a teleoperated minimally invasive slave surgical instrument
RU2640002C2 (en) * 2012-06-28 2017-12-25 Этикон Эндо-Серджери, Инк. Rotary drive structures for surgical instruments
US20190000574A1 (en) * 2014-09-04 2019-01-03 Memic Innovative Surgery Ltd. Control of device including mechanical arms
US20180168758A1 (en) * 2015-06-16 2018-06-21 Titan Medical Inc. Hand grip apparatus for receiving operator input in a robotic surgery system
WO2018112227A2 (en) * 2016-12-15 2018-06-21 Intuitive Surgical Operations, Inc. Actuated grips for controller

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU203739U1 (en) * 2020-10-16 2021-04-19 Общество с ограниченной ответственностью "ПРОМОБОТ" Servo control board

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021107820A1 (en) 2021-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ben-Tzvi et al. Sensing and force-feedback exoskeleton (SAFE) robotic glove
Berkelman et al. A compact, compliant laparoscopic endoscope manipulator
Gupta et al. Master–slave control of a teleoperated anthropomorphic robotic arm with gripping force sensing
JP6111344B2 (en) Force feedback controller and force feedback controller exoskeleton
US6233504B1 (en) Tool actuation and force feedback on robot-assisted microsurgery system
CN109316239B (en) Minimally invasive surgery robot main manipulator and system based on magnetic navigation sensing
WO2006047753A2 (en) Wrist and upper extremity motion
RU2720830C1 (en) Assisting surgical complex
WO2021107819A1 (en) Operator controller for controlling a robotic surgical complex
US20220193890A1 (en) Spherical mechanism constructed with scissors linkages with control means
RU2718568C1 (en) Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller
WO2012127404A2 (en) Ergonomic handle for haptic devices
WO2019032058A1 (en) Backdrivable and haptic feedback capable robotic forceps, control system and method
Garrido et al. Modular design and control of an upper limb exoskeleton
JP5974666B2 (en) Manipulation system
CN113194870B (en) User interface device, main control console of surgical robot device, and operation method thereof
Fu et al. Development of a multi-DOF exoskeleton based machine for injured fingers
RU2716353C1 (en) Hand controller for use in robot surgery system operator's controller
Lis et al. RobinHand Haptic Device
US20200297447A1 (en) A device for sensing the pose and motion of a human's arm-hand
Mucha et al. The Design of a Functional STIFF-FLOP Robot Operator's Console
Tzemanaki et al. μAngelo: A novel minimally invasive surgical system based on an anthropomorphic design
Erol Barkana et al. A robot‐assisted rehabilitation system–RehabRoby
WO2020042148A1 (en) Magnetic navigation sensing-based main operating hand and system of minimally invasive surgical robot
KR102116119B1 (en) Master robot and control method thereof