BR112020018780A2

BR112020018780A2 - sistema de robô cirúrgico e instrumento ciúrgico do mesmo

Info

Publication number: BR112020018780A2
Application number: BR112020018780-1A
Authority: BR
Inventors: Yuhui Xia; Chao He; Tao Li; Jiayin Wang; Yunlei Shi
Original assignee: Microport (Shanghai) Medbot Co., Ltd.
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2020-10-13
Also published as: EP3766449B1; WO2019174496A1; JP7455245B2; EP3766449A4; RU2751753C1; CN108433814A; JP2021517040A; EP3766449A1; US20210186638A1; CN108433814B; JP2023052883A

Abstract

A invenção refere-se a um sistema de robô cirúrgico e um instrumento cirúrgico do mesmo, que facilitam o aperfeiçoamento da precisão e exatidão da medição de força de contato na extremidade do instrumento cirúrgico. O instrumento cirúrgico compreende uma estrutura mecânica, um casquilho e um sensor de força, a estrutura mecânica inclui uma haste de instrumento e um efetor de extremidade conectado à extremidade da haste do instrumento; o casquilho fixo ou destacável é deslizado sobre extremidade da haste do instrumento; o sensor de força compreende elementos sensores e módulos de medição periféricos conectados aos elementos sensores, e os elementos sensores são dispostos no casquilho para aquisição de informação de deformação do casquilho; os módulos de medição periféricos obtêm o estresse medido pelos elementos sensores de acordo com a informação de deformação adquirida pelos elementos sensores e obtêm, de acordo com o estresse medido pelos elementos sensores, as posições dos elementos sensores e da direção de mudança de captação dos elementos sensores, a força resultante equivalente e o momento equivalente de força da força de ação aplicada pela haste do instrumento no casquilho, dessa maneira obtendo a força de contato do efetor de extremidade do instrumento cirúrgico.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE ROBÔ CIRÚRGICO E INSTRUMENTO CIÚRGICO DO MESMO".

CAMPO DA TÉCNICA

[001] A presente invenção refere-se ao campo técnico de instrumentos médicos e, mais especificamente, a um sistema de robô cirúrgico e um instrumento cirúrgico do mesmo.

ANTECEDENTES

[002] Um sistema cirúrgico roboticamente auxiliado geralmente adota uma estrutura de controle mestre-escravo consistindo em um mestre (lado do cirurgião) e um escravo (lado do paciente). O mestre é geralmente capaz de movimento multidimensional com base em projetos tais como braços robóticos, mouses multidimensionais, joysticks, etc., enquanto o escravo é em muitos casos um braço robótico com múltiplos graus de liberdade, em uma extremidade do mesmo, instrumentos cirúrgicos (por exemplo, suporte para agulhas, fórceps de eletrocoagulação, sondas eletrocirúrgicas de cautério, agarradores de tecido, tesouras, etc.). Durante a cirurgia, com base em uma imagem 3D de um sítio cirúrgico-alvo de um endoscópio exibido em um dispositivo de exibição, o cirurgião opera o mestre de modo que o escravo segue o movimento do mestre para direcionar os instrumentos cirúrgicos para realizar várias operações cirúrgicas, por exemplo, retrair tecido, sutura, agarrar um vaso sanguíneo, dissecar, cauterizar, coagular tecido, etc.

[003] Tal sistema cirúrgico roboticamente auxiliado oferece as vantagens que seguem: primeiro, ele é projetado para realizar uma intervenção minimamente invasiva através de uma incisão cirúrgica pequena feita no corpo de um paciente, que resulta em menos trauma para o paciente e então dor pós-operatória reduzida, recuperação mais rápida, um risco menor de infecção e uma necessidade minimizada de transfusão sanguínea.

[004] Segundo, ele opera muito mais precisamente e estavelmente quando comparado com mãos humanas. Por exemplo, o sistema auxiliado por computador pode eliminar tremor fisiológico, e até mesmo capilares minúsculos podem ser vistos claramente na imagem 3D, permitindo segurança cirúrgica alta.

[005] No entanto, uma vez que cirurgia roboticamente auxiliada é baseada em manipulação remota que falha em permitir que o cirurgião tenha uma sensação tátil direta bem como fornecer ao cirurgião feedbacks sensoriais a forças aplicadas associadas com toques leves tal como agarrar ou pressionar. Um feedback pode ocorrer apenas quando um toque forte do corpo humano pelo instrumento cirúrgico ocorre. Desta maneira, conceder a tal robô a habilidade de ajustar o movimento do escravo de acordo com variação de uma força aplicada à extremidade terminal de um instrumento cirúrgico que está sendo trazido em contato com um tecido corporal e fornecer ao cirurgião indicações de feedback de força apropriadas podem aumentar significantemente a segurança do sistema.

[006] A maioria dos mecanismos de feedback de força tradicionais se baseia em sensores de torque dispostos nas articulações do robô, e um torque de contato na extremidade terminal pode ser estimado com base no torque nas articulações. Essa abordagem, no entanto, sofre de várias desvantagens pelo fato que a força de contato calculada não pode refletir bem em tempo real o que está realmente acontecendo. Além disso, a detectabilidade de uma força de contato pequena requer aumento da exatidão e resolução dos sensores de torque, o que aumentará sua sensibilidade a ruídos, propensão a distorções de sinal e custo de fabricação. Ainda, transmissão no instrumento cirúrgico é geralmente realizada através de um ou mais fios, que obviamente não são adequados para disposição de sensores de tensão sobre eles.

[007] A Publicação de patente US8491574B2 revela uma solução para os problemas acima, em que um elemento sensor de tensão capaz de medir diretamente uma força externa é embutido na extremidade terminal de um instrumento cirúrgico. Isso, no entanto, está ainda associado com os inconvenientes que seguem: primeiro, é inevitável que um procedimento cirúrgico único envolva o uso de instrumentos cirúrgicos múltiplos. Quando cada um desses instrumentos cirúrgicos é provido com um respectivo sensor, será difícil assegurar consistência de medição em todos os diferentes sensores. Mesmo quando cada sensor é calibrado, registro preciso de todos os parâmetros físicos do instrumento é difícil.

[008] Segundo, as propriedades físicas dos elementos sensores são suscetíveis a fatores tais como temperatura, umidade e pressão atmosférica, e variam entre ambientes tal como dentro e fora do corpo do paciente. Portanto, é difícil para tais elementos sensores descrever forças que agem sobre os instrumentos cirúrgicos de uma maneira consistente.

[009] Terceiro, os instrumentos cirúrgicos em si são consumíveis e podem ser geralmente usados até 10 vezes, mas os sensores sobre eles são reutilizáveis. Obviamente, descarte do instrumento cirúrgico com os sensores não é uma prática econômica.

[0010] A Publicação de patente WO2009079301A1 revela um aparelho sensor de força incluindo um tubo interno e um tubo externo disposto no tubo interno. Medidores de tensão são posicionados no tubo interno, e uma extremidade proximal do tubo interno está conectada a um instrumento cirúrgico de modo que os medidores de tensão no tubo interno podem captar uma força agindo sobre o instrumento cirúrgico. No entanto, esse aparelho sensor de força está associado com vários problemas tais como consistência de medição pobre e precisão de medição baixa.

[0011] A Publicação de patente CN104764552A revela um sensor sensível à força para captar forças cirúrgicas, que é complicado em estrutura porque ele inclui estruturas de feixe múltiplas. Ainda, uma vez que medidores de tensão não são dispostos diretamente sobre componentes que sofrem tensão, a sua precisão de captação é pobre. Ainda, esse sensor sensível à força sofre dos problemas que seguem: devido à ausência de um modelo matemático preciso, a medição pode se basear apenas em calibragem, tornando impossível obter resultados precisos; e a medição de força axial não é permitida devido a seu projeto estrutural.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0012] É um objetivo da presente invenção prover um sistema de robô cirúrgico e um instrumento cirúrgico do mesmo, que possam resolver um ou mais dos problemas descritos acima na técnica anterior, incluindo baixa precisão em medição de uma força de contato na extremidade terminal de um instrumento cirúrgico e descarte desnecessário de sensores.

[0013] Os objetivos acima e relacionados são atingidos através da provisão de um instrumento cirúrgico compreendendo uma estrutura mecânica, um casquilho e um sensor de força; em que a estrutura mecânica compreende uma haste e um efetor de extremidade conectado à extremidade terminal da haste; o casquilho fixo ou destacável desliza sobre a extremidade terminal da haste; o sensor de força compreende pelo menos um elemento sensor e um módulo de medição periférico conectado ao elemento sensor, o elemento sensor é disposto sobre o casquilho e configurado para obter uma informação de tensão do casquilho; o módulo de medição periférico é configurado para obter um estresse medido pelo elemento sensor com base na informação de tensão obtida pelo elemento sensor e obter ambos uma força resultante equivalente e um torque resultante equivalente de uma força de ação aplicada pela haste ao casquilho com base no estresse medido pelo elemento sensor, a posição do elemento sensor e a direção de um eixo sensor do elemento sensor, dessa maneira obtendo uma força de contato exercida sobre o efetor de extremidade do instrumento cirúrgico.

[0014] Opcionalmente, o casquilho compreende um elemento perfurado se estendendo em uma direção circunferencial, o elemento perfurado compreendendo uma pluralidade de elementos e aberturas compatíveis cada um localizado entre dois dos elementos compatíveis, os elementos compatíveis sendo configurados para conectar uma seção superior do casquilho acima do elemento perfurado a uma seção inferior do casquilho abaixo do elemento perfurado, e em que o pelo menos um elemento sensor está disposto sobre elementos compatíveis e configurado para medir uma tensão sobre os elementos compatíveis.

[0015] Opcionalmente, os elementos compatíveis têm um módulo de elasticidade que não é maior do que um módulo de elasticidade da haste.

[0016] Opcionalmente, cada um dos elementos compatíveis compreende uma superfície interna, uma superfície externa e superfícies laterais, e em que o pelo menos elemento sensor é disposto nas superfícies internas, superfícies externas ou superfícies laterais dos elementos compatíveis.

[0017] Opcionalmente, o elemento perfurado é disposto ao redor de um meio axial do casquilho.

[0018] Opcionalmente, o eixo sensor do elemento sensor é disposto para ser paralelo ou perpendicular a uma direção axial do casquilho.

[0019] Opcionalmente, o casquilho fixo desliza sobre a extremidade terminal da haste através de fixação, um encaixe de interferência ou inserção.

[0020] Opcionalmente, o casquilho destacável desliza sobre a extremidade terminal da haste através de conexão roscada, uma conexão com trava ou um encaixe de pressão.

[0021] Opcionalmente, o casquilho tem uma extremidade nivelada com a extremidade terminal da haste.

[0022] Opcionalmente, o módulo de medição periférico compreende, comunicativamente conectadas uma à outra em série, uma unidade de aquisição de dados, uma unidade de condicionamento de sinal e uma unidade de cálculo e saída; em que a unidade de aquisição de dados é configurada para adquirir saída de sinais a partir do elemento sensor, a unidade de condicionamento de sinal é configurada para condicionar a saída de sinais a partir do elemento sensor, e a unidade de cálculo e saída é configurada para realizar um cálculo com base nos sinais condicionados para obter a força de contato no efetor de extremidade.

[0023] Opcionalmente, o estresse medido pelo elemento sensor é dado por: fi  g ( i )  ki   i  f ( i ) i  1,2, ,n em que i representa um elemento sensor i-ésimo; fi , um estresse medido pelo elemento sensor i-ésimo;  i , uma tensão do elemento compatível, sobre o qual o elemento sensor i-ésimo está disposto, ao longo da direção do eixo sensor do elemento sensor i-ésimo; g () , uma função descrevendo uma relação entre o estresse e a tensão; ki , um fator de estresse-tensão do elemento compatível, sobre o qual o elemento sensor i-ésimo está disposto, ao longo da direção do eixo sensor do elemento sensor i-ésimo; e f ( i ) , um termo de compensação não linear para o estresse e a tensão.

[0024] Opcionalmente, a força de contato compreende uma força

Fq Mq resultante equivalente e um torque resultante equivalente ; o módulo de medição periférico é configurado para estabelecer um sistema de coordenadas {p} para o casquilho sobre ele, um sistema de coordenadas {q} para o instrumento cirúrgico na sua extremidade terminal e descritores da posição e orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}; o módulo de medição periférico é configurado ainda para obter um descritor do estresse medido pelo elemento sensor no sistema de coordenadas {q} com base no descritor da orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}, um descritor da direção do eixo sensor do elemento sensor no sistema de coordenadas {p} e o estresse medido pelo elemento sensor, dessa maneira obtendo Fq a força resultante equivalente ; o módulo de medição periférico é configurado ainda para obter um descritor da posição do elemento sensor no sistema de coordenadas {q} com base nos descritores da posição e orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q} e um descritor da posição do elemento sensor no sistema de coordenadas {p}; e o módulo de medição periférico é configurado ainda para obter um descritor de um torque agindo sobre o casquilho no sistema de coordenadas {q} com base no descritor do estresse medido pelo elemento sensor no sistema de coordenadas {q}, dessa maneira Mq obtendo o torque resultante equivalente .

[0025] Opcionalmente, um descritor do estresse medido pelo elemento sensor no sistema de coordenadas {p} é dado por: f , f yi , f zi   fi ei  fi  (exi , eyi , ezi )T

T xi i  1,2,..., n onde ei é um vetor unitário indicando um descritor da direção do eixo sensor do elemento sensor i-ésimo no sistema de coordenadas f ,f ,f {p}; fi , o estresse medido pelo elemento sensor i-ésimo; xi yi zi , componentes do fi ao longo dos eixos do sistema de coordenadas {p}; exi , eyi , ezi e , componentes de ei ao longo dos eixos do sistema de coordenadas {p}.

[0026] Opcionalmente, o descritor do estresse medido pelo elemento sensor no sistema de coordenadas {q} é dado por: fi  q R  fi ei  onde f i representa um descritor do estresse medido pelo elemento q sensor i-ésimo no sistema de coordenadas {q} e R representa o descritor da orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}, e em que Fq a força resultante equivalente é dada por: n Fq  diag (1 nx ,1 n y ,1 nz ) f i i 1 onde diag () representa uma matriz diagonal com elementos n ,n ,n no vetor  como elementos diagonais e x y z representa números de forças redundantes nas direções dos eixo x, eixo y e eixo z, respectivamente.

[0027] Opcionalmente, o descritor da posição do elemento sensor no sistema de coordenadas {q} é dado por: ri  rp  q R p ri onde ri é um descritor da posição do elemento sensor i-ésimo no p sistema de coordenadas {q}; ri , um descritor da posição do elemento q sensor i-ésimo no sistema de coordenadas {p}; R , o descritor da orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas rp {q}; e um descritor da posição do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}. Mq

[0028] Opcionalmente, o torque resultante equivalente é dado por: n M q  diag (1 nx ',1 ny ',1 nz ') ri  fi i 1 nx ', ny ', nz ' onde representa os números de torques redundantes nas direções do eixo x, eixo y e eixo z, respectivamente.

[0029] Opcionalmente, o elemento perfurado compreende quatro elementos compatíveis que são dispostos ao longo da direção circunferencial; o sensor de força compreende quatro elementos sensores, cada um disposto sobre uma superfície externa de um respectivo dos elementos compatíveis; os descritores e1 , e2 , e3 , e4 das direções dos eixos sensores dos quatro elementos sensores no sistema de coordenadas {p} são todos  1,0,0 

T ; os descritores do estresse medidos pelo quatro elementos sensores no sistema de coordenadas {q} são dados como:  f1   f x1 0 0  =f1e1

T   f 2   f x 2 0 0  =f 2e2

T   f3   f x3 0 0  =f3e3

T   f 4   f x 4 0 0  =f 4e4

T onde f x1 , f x 2 , f x 3 , f x 4 representam, respectivamente, estresse medido pelos primeiro a quarto elementos sensores na direção de um eixo x do sistema de coordenadas {q}; e Fq a força resultante equivalente é dada por: Fq  (f1  f 2  f3  f 4 ) .

[0030] O instrumento cirúrgico, em que:

q R , o descritor da orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}, é uma matriz de identidade; e as posições dos elementos sensores são medidas como respectivas posições de centro, que são descritas no sistema de coordenadas {q} como: r1   x1 y1 z1 T  rp  p r1  r2   x2 y2 z2  =rp  p r2

T  r3   x3 y3 z3   rp  r3 T p  r4   x4 y4 z4   rp  r4 T p p p p p onde r1 , r2 , r3 , r4 são descritores das posições de centro dos quatro rp elementos sensores no sistema de coordenadas {p}; , o descritor da posição do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}; x1 , x2 , x3 , x4 , coordenadas do eixo x das posições de centro dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q}; y1 , y2 , y3 , y4 , coordenadas do eixo y das posições de centro dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q}; z1 , z2 , z3 , z4 , coordenadas do eixo z das posições de centro dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q}; e r1 , r2 , r3 , r4 , descritores das posições dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q}. Mq

[0031] Opcionalmente, o torque resultante equivalente é dado como: M q  (r1  f1  r2  f 2  r3  f3  r4  f 4 ) .

[0032] Ainda, a presente invenção também provê um sistema de robô cirúrgico compreendendo um escravo, o escravo compreendendo: um braço robótico; e o instrumento cirúrgico como definido acima, o braço robótico compreendendo uma extremidade terminal conectada de modo destacável ao instrumento cirúrgico, o braço robótico sendo configurado para acionar o instrumento cirúrgico para se mover sobre um centro remoto de movimento.

[0033] Opcionalmente, o sistema de robô cirúrgico compreende ainda um mestre e uma unidade de controle, o mestre compreendendo um indicador de força; em que a unidade de controle é conectada comunicativamente a ambos o mestre e o escravo; a unidade de controle é configurada para obter uma informação sobre força de contato agindo sobre o efetor de extremidade a partir do sensor de força do instrumento cirúrgico e transmitir a informação do indicador de força, o indicador de força é configurado para exibir a informação sobre a força de contato que age sobre o efetor de extremidade.

[0034] Opcionalmente, o escravo compreende ainda: um endoscópio; e um suporte para endoscópio conectado de modo destacável ao endoscópio; em que o módulo de medição periférico do instrumento cirúrgico é configurado para estabelecer um sistema de coordenadas {p} para o escravo, um sistema de coordenadas {q} para o instrumento cirúrgico e um sistema de coordenadas {e} para o endoscópio e obter, a partir da e matriz R descrevendo uma rotação a partir do sistema de coordenadas {q} para o sistema de coordenadas {e} e um vetor de raio a partir do sistema de coordenadas {q} para o sistema de coordenadas {e}, um descritor da força de contato agindo sobre o efetor de extremidade no sistema de coordenadas {e} como:  eF   e R 0   Fq   e   T e e e    M   S ( r ) R R  M q  e onde F indica uma força resultante no sistema de coordenadas {e};

e e M um torque resultante no Sistema de coordenadas {e}; S ( r ) , uma e F matriz antissimétrica correspondendo ao vetor r ; q , a força resultante equivalente da força de contato agindo sobre o efetor de extremidade; Mq , o torque resultante equivalente da força de contato agindo sobre o efetor de extremidade; e  0 rz ry    S ( e r )   rz 0 rx   r rx 0   y .

[0035] Em suma, o sistema de robô cirúrgico e o instrumento cirúrgico do mesmo providos na presente invenção proveem pelo menos uma das vantagens que seguem: primeiro, nenhuma folga ocorre entre o casquilho e a estrutura mecânica do instrumento cirúrgico. Isso é leva à precisão de medição aperfeiçoada.

[0036] Segundo, para um procedimento cirúrgico requerendo o uso de instrumentos cirúrgicos múltiplos, um processo de calibragem específico pode ser realizado em cada um dos instrumentos cirúrgicos, permitindo imunidade de medição maior para a influência de inconsistência de material do instrumento.

[0037] Terceiro, casquilhos idênticos podem ser usados em instrumentos cirúrgicos diferentes a fim de transmitir deformações desses instrumentos cirúrgicos. Comparado com ligação direta de elementos sensores às extremidades terminais dos instrumentos cirúrgicos, o uso dos casquilhos pode evitar variações em medição que possam surgir a partir da inconsistência de medição entre os elementos sensores nos instrumentos cirúrgicos diferentes, ajudando a atingir um grau alto de precisão e exatidão.

[0038] Quarto, acoplamento dos elementos sensores aos instrumentos cirúrgicos com os casquilhos pode evitar descarte dos elementos sensores junto com os instrumentos cirúrgicos. Os instrumentos cirúrgicos são consumíveis, enquanto os elementos sensores são reutilizáveis. Obviamente, descarte dos elementos sensores junto com os instrumentos cirúrgicos não é uma prática econômica e levará a custo de uso aumentado.

[0039] Em uma modalidade preferida da presente invenção, uma pluralidade de elementos sensores é disposta nos elementos compatíveis do casquilho de uma maneira predeterminada, e cada um dos elementos sensores tem coordenadas predeterminadas no sistema de coordenadas para o instrumento cirúrgico. Com base nas coordenadas predeterminadas, as posições dos elementos sensores sobre os elementos compatíveis podem ser determinadas, dessa maneira permitindo uma ou mais medição dimensional de uma força de contato agindo sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico. Isso implica uma abordagem de medição de força de contato mais fácil e mais simples, em que uma ou mais medição de força de contato dimensional é obtidas apenas ajustando as posições do elemento sensor em relação ao sistema de coordenadas para o instrumento cirúrgico.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0040] A Fig. 1 mostra um esquema estrutural de um sistema de robô cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0041] A Fig. 2 é um diagrama esquemático ilustrando a estrutura mecânica de um instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0042] A Fig. 3 ilustra esquematicamente o instrumento cirúrgico que está realizando uma operação cirúrgica de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0043] A Fig. 4a é um diagrama esquemático de um sensor de força e um casquilho no instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0044] A Fig. 4b é um diagrama em blocos estrutural de um módulo de medição periférico no instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0045] A Fig. 5a é um diagrama esquemático de um casquilho disposto sobre uma haste no instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0046] A Fig. 5b é uma vista parcial aumentada esquemática do casquilho e da haste da Fig. 5a.

[0047] A Fig. 6a é um diagrama esquemático do casquilho que não foi montado com a haste de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0048] A Fig. 6b é um diagrama esquemático do casquilho que não foi montado com a haste de acordo com uma outra modalidade da presente invenção.

[0049] A Fig. 7a é um diagrama esquemático do instrumento cirúrgico que está sendo pressionado em um lado e deformado de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0050] A Fig. 7b é um diagrama esquemático ilustrando análise de uma força exercida sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico e seu princípio de medição de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0051] A Fig. 8 é um diagrama esquemático ilustrando princípios de medição de força de um sensor de força tridimensional de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0052] Nessas figuras, 1 significa um carrinho cirúrgico; 2, um braço robótico; 3, um instrumento cirúrgico; 301, um módulo de energia; 302, uma haste; 303, um efetor de extremidade; 304, uma articulação de rolagem; 305, uma articulação de arfagem; 306, 306’, uma articulação de guinada; 4, um endoscópio;

5, um sistema de imagem; 6, um cirurgião; 7, um console mestre; 8, um paciente; 400, um sensor de força; 401, um casquilho; 4011, um elemento compatível; 402, um elemento sensor; 403, um módulo de medição periférico; 4031, uma unidade de aquisição de dados; 4032, uma unidade de condicionamento de sinal; e 4033, uma unidade de cálculo e saída.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0053] Objetivos, vantagens e características da presente invenção se tornarão mais aparentes quando da leitura da descrição que segue do sistema de robô cirúrgico e do seu instrumento cirúrgico propostos na invenção em conjunto com os desenhos acompanhantes, isto é, Figuras 1 a 8. Observar que as figuras são providas em uma forma muito simplificada não necessariamente apresentada em escala, com sua única intenção facilitar conveniência e clareza na explicação de algumas modalidades reveladas aqui. Como aqui usado, uma "extremidade terminal" ou "extremidade distal" de um produto se refere à sua extremidade mais distante de um usuário operando o produto, enquanto uma "extremidade proximal" se refere à extremidade do produto mais próxima do usuário.

[0054] A Fig. 1 é um esquema estrutural de um sistema de robô cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado na Fig. 1, o sistema de robô cirúrgico inclui um escravo incluindo um carro cirúrgico 1, braços robóticos 2, um instrumento cirúrgico 3 e um endoscópio 4. O carro cirúrgico 1 serve como uma base do escravo e apoia todos os seus componentes mecânicos. Preferivelmente, o carro cirúrgico 1 é capaz de se mover sobre o solo de modo a trazer o escravo para mais próximo ou distante de um paciente 8.

[0055] O braço robótico 2 é montado sobre o carro cirúrgico 1 e tem múltiplos graus de liberdade, o que faz com que ele seja capaz de se mover dentro de uma certa faixa espacial. Quando o carro cirúrgico 1 se move na vizinhança do paciente 8, o braço robótico 2 pode ser ajustado para pôr o instrumento cirúrgico 3 em uma posição de operação planejada. O instrumento cirúrgico 3 é montado de modo destacável em uma extremidade terminal dos braços robóticos 2 e é configurado como um mecanismo de atuação do escravo, que é capaz de pivotar sobre um centro de movimento remoto (RCM) sob o acionamento do braço robótico 2. O instrumento cirúrgico 3 tem um efetor de extremidade 303 configurado para ser inserido no corpo do paciente para tratar uma lesão no mesmo.

[0056] O endoscópio 4 é montado em uma extremidade terminal de um outro braço robótico 2 (que é então também referido aqui como um "suporte para endoscópio") e é configurado para coletar informação de imagem no ambiente cirúrgico, incluindo, mas não limitado a, informação sobre a lesão e informação sobre a posição e orientação do instrumento cirúrgico 3. Ainda, o endoscópio 4 montado sobre o braço robótico 2 é conectado comunicativamente ao mestre conforme detalhado abaixo e configurado para exibir em tempo real a informação de imagem coletada no ambiente cirúrgico. O endoscópio 4 pode ser estereoscópico ou não, sem limitação.

[0057] A Fig. 2 é um diagrama esquemático ilustrando a estrutura mecânica de um instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado na Fig. 2, a estrutura mecânica do instrumento cirúrgico 3 inclui um módulo de energia 301, uma haste 302, um mecanismo de transmissão e um efetor 303. O mecanismo de transmissão pode ser um mecanismo de transmissão de fio que é alojado na haste 302 e acoplado a ambos o módulo de energia 302 e o efetor de extremidade 303. O módulo de energia 301 pode ser disposto em uma extremidade proximal da haste 302 e o efetor 303 pode ser disposto em uma extremidade distal da haste 302.

[0058] O módulo de energia 301 é configurado para prover o efetor de extremidade 303 com uma força de acionamento, que é transmitida para o efetor de extremidade 303 através do mecanismo de transmissão e configurado para fazer com que o efetor de extremidade 303 realize um movimento multidimensional tal como pivotamento, abertura/fechamento, etc. Operações específicas que o efetor de extremidade 303 pode realizar sobre a lesão no paciente podem incluir corte, exame, agarramento, etc. Desta maneira, o efetor de extremidade 303 pode ser implementado como uma tesoura, um fórceps, uma sonda, etc. De acordo com a presente invenção, o módulo de energia 301 pode ser autoalimentado. Nesse caso, por exemplo, o módulo de energia 301 pode incluir uma fonte de energia e um acionador. Alternativamente, o módulo de energia 301 pode ser também alimentado externamente de modo a prover o efetor de extremidade 303 com uma força de acionamento. Nesse caso, por exemplo, o módulo de energia 301 pode incluir uma interface conectada a uma fonte de energia e, preferivelmente, pode incluir ainda um módulo de distribuição de energia.

[0059] Como mostrado na Fig. 1, o sistema de robô cirúrgico inclui ainda um mestre incluindo um sistema de imagem 5 e um console mestre 7 (ou console do cirurgião). Durante um procedimento cirúrgico, enquanto monitorando o movimento do instrumento cirúrgico 3 que é indicado por informação de imagem coletada pelo endoscópio 4 e exibida no sistema de imagem 5, o cirurgião 6 pode fazer com que o instrumento cirúrgico 3 realize movimentos multidimensionais conforme necessário para o procedimento, tais como arfagem, guinada, rotação, abertura/fechamento, etc., através da manipulação do console mestre

7.

[0060] A Fig. 3 ilustra esquematicamente um instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção que está realizando uma operação cirúrgica. Como mostrado na Fig. 3, o cirurgião 6 pode manipular um ou mais tais instrumentos cirúrgicos 3 (idênticos ou não) através do console mestre 7 para realizar corte, exame, agarramento e outras ações que conforme necessário por um procedimento cirúrgico.

[0061] Obviamente, o controle de console mestre 7 com relação ao(s) instrumento(s) cirúrgico(s) 3 é a base para o controle mestre- escravo do sistema de robô cirúrgico. No entanto, uma vez que tal controle é baseado em manipulação remota, o cirurgião não pode sentir diretamente a magnitude de uma força aplicada, o que não é favorável o cirurgião realizar uma ação apropriada com base na resistência de uma força de contato. Para resolver isso, a presente invenção provê um instrumento cirúrgico com capacidades de feedback de força, que permite que o cirurgião 6 sinta uma força que age sobre uma extremidade terminal do instrumento cirúrgico.

[0062] A Fig. 4a é um diagrama esquemático de um sensor de força e um casquilho no instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado na Fig. 4a, em adição aos componentes mecânicos discutidos acima, o instrumento cirúrgico 3 inclui ainda o casquilho 401 e o sensor de força 400. O sensor de força 400 inclui elementos sensores 402 e um módulo de medição periférico

403. O escravo 401 define um lúmen oco com um diâmetro interno que corresponde a um diâmetro externo da haste 302 no instrumento cirúrgico 3. Ainda, o casquilho 401 tem um elemento perfurado se estendendo circunferencialmente e forma um anel circunferencial fechado através do casquilho 401. Aqui, a "extensão circunferencial" do elemento perfurado através do casquilho 401 significa que uma seção transversal média do elemento perfurado pode ser ou perpendicular a ou inclinada com relação a um eixo do casquilho 401. O elemento perfurado inclui uma pluralidade de elementos compatíveis 4011 espaçados um do outro por aberturas cada uma entre dois dos elementos compatíveis 4011 adjacentes. Desta maneira, os elementos compatíveis 4011 acoplam uma seção superior do casquilho (acima do elemento perfurado) a uma seção inferior do mesmo (abaixo do elemento perfurado). Com esse projeto, uma força externa é transmitida a partir de uma extremidade do casquilho para a outra extremidade por meio dos elementos compatíveis 4011, a magnitude e direção da força externa podem ser determinadas através da medição de seus componentes agindo sobre os respectivos elementos compatíveis 4011. Esse projeto pode facilitar medição de força externa com complexidade de algoritmo reduzida e resolução aumentada.

[0063] Na modalidade preferida mostrada na Fig. 8, o elemento perfurado que se estende circunferencialmente no casquilho 401 inclui quatro elementos compatíveis 4011 distribuídos em respectivas extremidades de um cruzamento simétrico centrado em uma linha central do casquilho. A presente invenção não é limitada a nenhum método particular para fabricação do elemento perfurado e dos elementos compatíveis 4011. Em uma modalidade exemplar, o casquilho 401 com o elemento perfurado é fabricado através da remoção de porções indesejadas de um blank tubular mecanicamente, por exemplo, através de corte com fio ou faísca elétrica. Em uma modalidade alternativa, o casquilho pode ser fabricado fixando os elementos compatíveis 4011 às seções superior e inferior. Portanto, os elementos compatíveis 4011 podem ser feitos ou do mesmo material que o, ou um material diferente do, restante do casquilho. A fim de que sensibilidade de medição de força aperfeiçoada seja obtida, o que pode facilitar que os elementos sensores 402 captem uma força externa exercida sobre o instrumento cirúrgico, os elementos compatíveis 4011 podem ser feitos de um material selecionado para ter um módulo de elasticidade não maior do que aquele da haste 302, tal como borracha.

[0064] Cada elemento compatível 4011 inclui uma superfície interna, uma superfície externa e superfícies laterais. Os elementos sensores 402 podem ser ligados às superfícies interna, externa ou laterais dos elementos compatíveis 4011 no casquilho 401. Preferivelmente, cada um dos elementos sensores 402 tem um eixo sensor se estendendo na direção axial ou circunferencial do casquilho 401 e pode captar as magnitudes de forças exercidas sobre os elementos compatíveis 4011 ao longo do eixo sensor. Aqui, a direção de extensão do "eixo sensor" se refere à única direção na qual os elementos sensores 402 são sensíveis à pressão. Isto é, os elementos sensores 402 são insensíveis em qualquer outra direção. Em algumas modalidades preferidas da presente invenção, o eixo sensor do elemento sensor 402 é paralelo à direção axial do casquilho 401. Na prática, os elementos sensores 402 podem ser então montados de modo que seus eixos sensores se estendam paralelo à direção axial do casquilho 401, permitindo que eles captem tensões dos elementos compatíveis 4011 nessa direção.

[0065] Os elementos sensores 402 podem ser selecionados como medidores de tensão, fibra óptica ou outros componentes, dependendo de suas condições de aplicação e exigências de medição. O número de elementos sensores 402 pode ser selecionado, e sua disposição pode ser projetada, de uma maneira flexível dependendo do tipo de força de contato a ser medida e a confiabilidade do sensor. Os elementos sensores 402 podem ser dispostos nas superfícies interna, externa ou laterais dos elementos compatíveis 4011 no casquilho 401 de uma maneira flexível dependendo de como a ligação é realizada e de se ela é difícil. Preferivelmente, o elemento perfurado e então os elementos compatíveis 4011 são dispostos em uma porção do casquilho 401 tendendo a experimentar níveis mais altos de tensão (preferivelmente,

em torno de um meio axial do casquilho 401). Preferivelmente, a pluralidade de elementos sensores 402 disposta sobre os elementos compatíveis 4011 é capaz de medição de força de contato uni- ou multidimensional, por exemplo, medição de três a seis forças de contato dimensionais. Mais preferivelmente, cada um dos elementos compatíveis 4011 é provido (por exemplo, na sua superfície externa) com um elemento sensor 402.

[0066] Deve ser observado que a resistência estrutural do casquilho 401 deve ser levada em consideração em seu projeto prático. Por exemplo, embora seja teoricamente possível que o elemento perfurado inclua apenas um elemento compatível 4011, resistência estrutural do casquilho 401 nesse caso pode ser muito fraca para permitir que ele transmita uma força externa de uma maneira desejável ou evite deformações plásticas significantes do elemento compatível 4011, que são prejudiciais para precisão de medição. Portanto, a modalidade da Fig. 8 com quatro elementos compatíveis 4011 que são dispostos equiangularmente sobre a circunferência do elemento perfurado e então nas quatro extremidades de um cruzamento simétrico é preferida.

[0067] O módulo de medição periférico 403 é conectado comunicativamente (por exemplo, eletricamente) ao elemento sensor 402 e configurado para coletar informação de tensão dos elementos compatíveis 4011 obtidos pelos elementos sensores 402 (possivelmente na forma de sinais resistivos ou de elétricos de tensão) e por fim derivam uma força de contato agindo sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico a partir da informação de tensão. Nessa modalidade, o módulo de medição periférico 403 pode incluir um miniprocessador para receber a saída de sinais elétricos a partir dos elementos sensores 402 e derivar computacionalmente a força de contato que age sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico com base nos sinais elétricos recebidos. No lugar do miniprocessador,

qualquer outro dispositivo de computação programável tal como um microcomputador de chip único (SMC), controlador de PLC, um FPGA ou similar pode ser selecionado. Opcionalmente, o módulo de medição periférico 403 é conectado de modo fixo ao módulo de energia 301.

[0068] A Fig. 4b é um diagrama em blocos estrutural de um módulo de medição periférico no instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado na Fig. 4b, o módulo de medição periférico 403 pode incluir, conectada uma à outra em série, uma unidade de aquisição de dados 4031, uma unidade de condicionamento de sinal 4032 e uma unidade de cálculo e saída 4033. Especificamente, o módulo de medição periférico 403 pode operar de acordo com o processo: a unidade de aquisição de dados 4031 primeiro obtém sinais elétricos gerados pelos elementos sensores 402; a unidade de condicionamento de sinal 4032 pode então condicionar os sinais elétricos obtidos pela unidade de aquisição de dados 4031 submetendo-os a uma série de processos incluindo, mas não limitado a, amplificação, filtragem digital, detrending, remoção de pontos fora da curva, etc., a unidade de cálculo e saída 4033 pode, por fim, derivar a força de contato agindo sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico 3 analisando e calculando os sinais elétricos condicionais a partir da unidade de condicionamento de sinal 4032 e saída da força de contato que pode ser ou unidimensional ou multidimensional.

[0069] A Fig. 5a é um diagrama esquemático do casquilho 401 disposto sobre a haste 302 no instrumento cirúrgico de acordo com uma modalidade da presente invenção e a Fig. 5b é uma vista parcial aumentada esquemática do casquilho 401 e da haste 302 da Fig. 5a. Como mostrado nas Figuras 5a e 5b, com o auxílio do casquilho 401, o sensor de força 400 desliza sobre a extremidade terminal da haste 302 no instrumento cirúrgico 3. Quanto mais próximo o casquilho 401 é posicionado do efetor de extremidade 303, mais fácil ele pode refletir uma força que age sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico 3. Preferivelmente, o casquilho 401 é nivelado com uma face de extremidade da extremidade terminal da haste 302 e conectado ao terminal e fixamente por meio de um encaixe de interferência, inserção, fixação ou similar. Alternativamente, a fim de que montagem e desmontagem mais fáceis sejam obtidas, ele pode ser conectado à extremidade terminal de modo destacável por meio de conexão roscada, uma conexão com trava, um encaixe com pressão ou similar.

[0070] A Fig. 6a é um diagrama esquemático do casquilho 401 que não foi montado com a haste 302 de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado na Fig. 6a, nesta modalidade, o casquilho 401 pode ser opcionalmente disposto de modo fixo sobre a haste 302 por um encaixe de interferência. Nesse caso, os elementos sensores 402 não são limitados a serem dispostos sobre as superfícies externas dos elementos compatíveis 4011, uma vez que eles podem também ser dispostos sobre as superfícies internas dos elementos compatíveis 4011 (por exemplo, em recessos formados nas superfícies internas dos elementos compatíveis 4011). Obviamente, nessa modalidade, o encaixe de interferência que conexa fixamente o casquilho 401 à haste 302 pode ser obtido através da elasticidade do próprio casquilho 401.

[0071] A Fig. 6b é um diagrama esquemático do casquilho 401 que não foi ainda montado com a haste 302 de acordo com uma outra modalidade da presente invenção. Como mostrado na Fig. 6b, nessa modalidade, o casquilho 401 pode ser opcionalmente disposto de modo destacável sobre a haste 302 por um ajuste com rosca, com os elementos sensores 402 preferivelmente dispostos sobre as superfícies externas dos elementos compatíveis 4011. Em particular, uma rosca interna pode ser provida em uma superfície interna do casquilho 401, que pode fazer um encaixe roscado com uma rosca externa formada em uma superfície externa da haste 302. Tal conexão roscada é vantajosa ao assegurar a ausência de qualquer folga entre o casquilho e a haste 302, que pode exercer um impacto adverso sobre precisão de medição de força. No caso de conexão roscada, a fim de assegurar confiabilidade da conexão, o casquilho 401 é preferivelmente feito de um material com alta dureza, tais como fibras de carbono.

[0072] A Fig. 7a é um diagrama esquemático do instrumento cirúrgico que está sendo pressionado em um lado e deformado de acordo com uma modalidade da presente invenção. Nessa modalidade, o instrumento cirúrgico 3 inclui sucessivamente uma articulação de rolamento 304, uma articulação de arfagem 305 e uma articulação de guinada 306, que permitem movimentos de rolamento, arfagem e guinada do efetor de extremidade 303, respectivamente. Nesta modalidade, o efetor de extremidade 303 inclui duas lâminas (portanto, o efeito de extremidade é, por exemplo, tesoura). Portanto, a articulação de guinada é formada de subarticulações (306, 306’), cada uma controlando uma correspondente das lâminas. Como mostrado na Fig. 7a, quando o efetor de extremidade 303 é trazido em contato com um tecido corporal, o tecido corporal exercerá uma força de contato F sobre o efetor de extremidade 303. Aparentemente, essa força de contato F será transmitida pela haste 302 para uma extremidade do casquilho 401 e ainda para a outra extremidade do mesmo por meio de elementos compatíveis 4011. Sob a ação da força de contato F , os elementos compatíveis 4011 deformam como mostrado na Fig. 7a, e a deformação será parcialmente sentida pelos elementos sensores 402.

[0073] A Fig. 7b é um diagrama esquemático ilustrando análise sobre uma força exercida sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico e seu princípio de medição de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado na Fig. 7b, quando a extremidade terminal do instrumento cirúrgico 3 é trazida em contato com um tecido corporal, o tecido corporal exercerá uma força de contato F sobre o instrumento cirúrgico 3, que pode ser equivalente a uma força resultante Fq Mq e um torque resultante , que faz com que a haste 302 deforme, junto com o casquilho 401, como mostrado nas Figuras 7a e 7b. Ao mesmo tempo, o instrumento cirúrgico 3 é submetido a uma força de Fp Mp reação ( e ) do casquilho 401. Aqui, a força resultante Fq Fp equivalente é equilibrada com , e o torque resultante equivalente Mq Mp é equilibrado com . A força de reação que o casquilho 401 aplica sobre o instrumento cirúrgico 3 pode ser obtida medindo a força de ação exercida pelo instrumento cirúrgico 3 ao casquilho 401, e a força de contato F exercida pelo tecido corporal sobre o instrumento cirúrgico 3 pode ser derivada das equações de equilíbrio de força e torque.

[0074] Será compreendido que, na Fig. 7b, que ilustra esquematicamente como a extremidade terminal do instrumento cirúrgico é pressionada e deformada, um sistema de coordenadas {q} pode ser definido para o instrumento cirúrgico na sua extremidade terminal, com uma origem localizada, por exemplo, no ponto A marcado na figura, isto é, a interseção de um eixo da haste 302 e um eixo de rotação da articulação de arfagem 305 no instrumento cirúrgico. O sistema de coordenadas {q} também tem um eixo x que é perpendicular ao eixo de rotação da articulação de arfagem 305 e coincide com o eixo da haste 302 em uma configuração inicial, um eixo y se estendendo paralelo ao eixo de rotação da articulação de arfagem 305 no instrumento cirúrgico e um eixo z que é perpendicular a ambos os eixos acima e determinado pela regra da mão direita. Aqui, a "configuração inicial" é definida como uma configuração em que o efetor de extremidade 303 do instrumento cirúrgico 3 se estende reto ao longo da direção do eixo da haste 301, com sua extremidade distal localizada mais distante da articulação de guinada. A origem do sistema de coordenadas {q} pode ser o ponto de aplicação da força resultante Fq Mq equivalente e torque resultante equivalente . Uma vez que essa modalidade não é limitada a nenhuma orientação ou posição particular dos elementos sensores 402 sobre os elementos compatíveis 4011, um sistema de coordenadas {p} é desejado ser definido para o casquilho 401 como uma referência servindo para facilitar a determinação das posições e orientações dos elementos sensores 402, com uma origem localizada, por exemplo, no centro de uma face de extremidade do dos mesmos, um eixo x se estendendo ao longo de um eixo do casquilho 401 e eixos y e z sendo perpendiculares uns aos outros e ambos se estendendo radialmente.

Similarmente, a origem do sistema de coordenadas {p} pode ser o ponto de aplicação da força resultante (bem q como o torque associado) agindo sobre o casquilho.

Ainda, R denota a transformação de orientação do sistema de coordenadas {p} para {q}, isto é, um descritor da orientação do sistema de coordenadas {p} em {q}. Uma vez que o ponto de força aplicada a partir do instrumento cirúrgico 3 para o casquilho 401 não é na extremidade terminal do rp instrumento cirúrgico, um vetor de raio é definido nessa modalidade descrever a posição do ponto de aplicação da força resultante exercida pelo instrumento cirúrgico 3 sobre o casquilho 401 no sistema de coordenadas {q}. Isto é, ele é um descritor da posição do sistema de q coordenadas {p} em {q}. Ambas a matriz de transformação R e vetor rp de raio são quantidades conhecidas que foram determinadas durante a montagem.

Por questão de computação simples, alguns meios são desejavelmente usados durante a montagem para assegurar que os sistemas de coordenadas {q} e {p} tenham a mesma orientação inicial, q onde R é uma matriz de identidade, com base em que os sistemas de coordenadas de acordo com a presente modalidade são estabelecidos.

Aqueles versados na técnica compreenderão que as posições e orientações dos sistemas de coordenadas {q} e {p} podem ser flexivelmente selecionadas para satisfazer as necessidades reais.

[0075] Quando o casquilho 401 deforma após receber uma força de Fp M p ação ( e ) a partir do eixo 302, os elementos sensores 402 sobre os elementos compatíveis 4011 podem captar deformações dos elementos compatíveis 4011. As deformações dos elementos compatíveis 4011 e o estresse medido pelos elementos sensores 402 seguem a relação que segue: fi  g ( i )  ki   i  f ( i ) i  1,2, ,n (1-1)

[0076] Na equação (1-1), i representa o elemento sensor i-ésimo de um total de, por exemplo, n elementos sensores de acordo com a presente modalidade; fi denota um estresse medido pelo i-ésimo elemento sensor;  i , a tensão do elemento compatível correspondente 4011, sobre o qual o elemento sensor i-ésimo está disposto, na direção do eixo sensor do elemento sensor; g () , uma relação funcional entre o estresse e a tensão; ki , um fator de estresse-tensão do elemento compatível correspondente 4011 na direção do eixo sensor do i-ésimo elemento sensor, que é determinado pelos parâmetros materiais do elemento compatível 4011; f ( i ) , um item de compensação não linear para o estrese e a tensão, que é obtido através de calibragem. Um método de calibragem exemplar envolve: (i) determinar se há um deslocamento do ponto zero em qualquer um dos elementos sensores 402 através da checagem dos sinais a partir dos elementos sensores 402 quando o casquilho 401 é livre de qualquer força externa; (ii) determinar se a tensão de cada elemento sensor 402 varia não linearmente com uma carga de força externa sobre o casquilho 401 e, se variar, incluir o termo de compensação não linear na equação acima; e (iii) assegurar alinhamento entre as direções das forças calculadas e realmente aplicadas. Obviamente, como aqui usado, o "estresse medido pelo elemento sensor 402" não deve ser considerado uma leitura de estresse direto do elemento sensor 402. Ao contrário, ele se refere a um estresse sobre uma porção correspondente do casquilho (isto é, o elemento compatível correspondente 4011) derivado de acordo com a equação (1-1) acima a partir de uma tensão da porção medida pelo elemento sensor 402.

[0077] Ainda, informação da força aplicada pelo eixo 302 ao casquilho 401 contém sua direção, que é uma representação da direção do eixo sensor do elemento sensor i-ésimo no sistema de coordenadas {p}, e a posição desse ponto de aplicação, que é uma representação da posição do elemento sensor i-ésimo no sistema de coordenadas {p}. O estresse medido pelo elemento sensor 402, isto é, a força de ação exercida pela haste 302 sobre o elemento compatível 4011, é representado no sistema de coordenadas {p} como: f , f yi , f zi   fi ei  fi  (exi , eyi , ezi )T

T xi (1-2)

[0078] Na equação (1-2), ei é um vetor unitário denotando a representação da direção dos eixos sensores do elemento sensor i- ésimo (isto é, a direção ao longo da qual o elemento sensor está disposto) no sistema de coordenadas {p}; fi , o estresse medido pelo f xi , f yi , f zi elemento sensor i-ésimo; , componentes de fi ao longo dos exi , eyi , ezi eixos do sistema de coordenadas {p}; , componentes de ei ao longo dos eixos do sistema de coordenadas {p}; e   

T , um operador de transposição de matriz.

[0079] Ainda, a direção e a posição de ponto de aplicação da força exercida pelo eixo 302 ao casquilho 401 podem ser representadas no sistema de coordenadas {q} como:

f i  q R  fi ei  (1-3) ri  rp  q R p ri (1-4)

[0080] Na equação (1-3), ei denota uma representação da direção ao longo da qual o elemento sensor i-ésimo 402 está disposto (isto é, a direção do eixo sensor do mesmo) no sistema de coordenadas {p}; f i , uma representação do estresse medido pelo elemento sensor i-ésimo q 402 no sistema de coordenadas {q}; e R , uma representação da orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}. p

[0081] Na equação (1-4), ri denota uma representação da posição do elemento sensor i-ésimo (isto é, a posição do ponto de aplicação) no sistema de coordenadas {p}; ri , uma representação da posição do rp elemento sensor i-ésimo no sistema de coordenadas {q}; e , uma representação da posição do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}.

[0082] Deve ser observado que, a fim de assegurar uma relação de posição relativa entre o casquilho 401 e a haste 302 do instrumento cirúrgico e então entre os sistemas de coordenadas {p} e {q}, ranhuras ou linhas podem ser gravadas ou desenhadas na face ou superfície de extremidade do casquilho ou sobre a superfície da haste 302 para facilitar alinhamento durante montagem.

[0083] O estresse medido por todos os elementos sensores pode ser combinado no sistema de coordenadas {q} para resultar em:  n   diag (1 nx ,1 n y ,1 nz ) fi   Fq  M   i 1 nx , ny , nz , nx ', ny ', nz '  1  q   diag (1 n ',1 n ',1 n ') r  f  n  x y z  i i  i 1  (1-5)

[0084] Como pode ser visto a partir da equação (1-5), a força resultante equivalente da força de contato agindo sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico é n Fq  diag (1 nx ,1 n y ,1 nz ) fi i 1 , e o torque resultante equivalente do mesmo é n M q  diag (1 nx ',1 n y ',1 nz ')  ri  f i , onde diag () representa uma i 1 matriz diagonal com elementos no vetor  como seus elementos n x , n y , nz diagonais, denota os números de forças redundantes nas nx ', ny ', nz ' direções x, y, z, respectivamente e são os números de torques redundantes nas direções x, y, z, respectivamente.

[0085] A fim de melhorar a precisão e confiabilidade da medição, redundância, isto é, ciclos de medição repetidos que são deliberadamente adicionados, podem ser algumas vezes introduzidos em métodos de medição usados em aplicações de engenharia práticas. De acordo com a presente invenção, o número de forças redundantes em uma certa direção pode ser interpretado como o número de vezes que a força é medida por um sensor de força durante sua transmissão na direção. Similarmente, o número de torques redundantes em uma certa direção pode ser interpretado como o número de vezes que o torque é medido por um sensor de força durante sua transmissão na direção. Um exemplo específico será mostrado abaixo para descrever em mais detalhes o projeto do sensor de força apoiado por casquilho e como ele é usado para medir uma força.

[0086] A Fig. 8 é um diagrama esquemático ilustrando princípios de medição de força de um sensor de força tridimensional de acordo com uma modalidade da presente invenção. A Fig. 8 mostra os sistemas de coordenadas {q} e {p}, respectivamente, para o instrumento cirúrgico e o casquilho. Como mencionado acima, a origem do sistema de coordenadas {q} é disposta na interseção do eixo de rotação da articulação de rolagem no instrumento cirúrgico 3 (isto é, o eixo da haste 302) e o eixo de rotação da articulação de arfagem. Ainda, o eixo x do sistema de coordenadas {q} é definido como sendo perpendicular ao eixo de rotação da articulação de arfagem 305 e coincidente com o eixo da haste 302 na configuração inicial, o eixo y como sendo paralelo ao eixo de rotação da articulação de arfagem e o eixo z como sendo determinado pela regra da mão direita. Aqui, a "configuração inicial" se refere a uma configuração em que o efetor de extremidade do instrumento cirúrgico 3 se estende reto ao longo da direção do eixo da haste 302, com sua extremidade distal localizada mais distante da articulação de guinada. Ainda, o sistema de coordenadas {p} é rp estabelecido na face de extremidade do casquilho 401. representa q um vetor descrito na tradução e R denota uma matriz descrevendo a rotação, do sistema de coordenadas {p} para o sistema de coordenadas {q}. Ambos são quantidades conhecidas determinadas por uma posição de montagem inicial do sensor de força apoiado pelo casquilho. Por questão de simplicidade computacional, é desejável assegurar, durante a montagem, que os sistemas de coordenadas {p} e {q} sejam q orientados na mesma direção de modo que R é uma matriz de identidade. A análise que segue é baseada em tal orientação dos sistemas de coordenadas. Ainda, qualquer ângulo de rotação do instrumento cirúrgico em uma extremidade frontal do mesmo pode ser q medido por um codificador no módulo de energia 301, tornando R uma quantidade ainda conhecida.

[0087] Como mostrado na Fig. 8, o elemento perfurado incluído no casquilho 401 inclui quatro elementos compatíveis 4011 que são uniformemente dispostos na direção circunferencial. O sensor de força 400 inclui quatro elementos sensores 402, respectivamente dados os subscritos 1 a 4 na descrição que segue para o propósito de distinção um do outro. No exemplo ilustrado, os quatro elementos sensores 402 são fixamente dispostos nas superfícies externas dos respectivos elementos compatíveis 4011, com seus eixos sensores todos se estendendo paralelo à direção axial do casquilho 401.

[0088] Os quatro elementos sensores são dispostos com seus eixos sensores sendo orientados em direções individuais indicadas como e1 , e2 , e3 , e4 no sistema de coordenadas {p}. Uma vez que os elementos sensores 402 são orientados na direção axial do casquilho 401, cada 1,0,0 

T uma das direções corresponde ao vetor . Portanto, de acordo com as equações (1-2) e (1-3), os estresses sentidos pelos quatro elementos sensores 402 pode ser representado no sistema de coordenadas {q} como:  f1   f x1 0 0  =f1e1

T   f 2   f x 2 0 0  =f 2e2

T   f3   f x3 0 0  =f3e3

T   f 4   f x 4 0 0  =f 4e4

T (1-6) onde f x1 , f x 2 , f x 3 , f x 4 são componentes do eixo x do estresse medido pelos primeiro a quarto elementos sensores. Deve ser observado que, como as direções dos eixos sensores desses elementos sensores são paralelas ao eixo x, os componentes do estresse medido nas outras direções, isto é, os componentes dos eixos y e z, são todos zero.

[0089] Da mesma maneira, os quatro elementos sensores 402 têm respectivos vetores de raio nos sistemas de coordenadas {p}, indicados p como r1, p r2 , p r3 , p r4 , que são determinados pelas posições onde os elementos sensores 402 estão dispostos. As representações dos elementos sensores 402 no sistema de coordenadas {q}, isto é, r1 , r2 , r3 , r4 , podem ser obtidas a partir da equação (1-4), que são também representações de pontos de aplicação do estresse, embora as equações envolvidas não sejam especificadas aqui. Os vetores de raio são dados por: r1   x1 y1 z1 T  rp  p r1  r2   x2 y2 z2  =rp  p r2

T  r3   x3 y3 z3   rp  r3 T p  r4   x4 y4 z4   rp  r4 T p (1-7) onde x1 , x2 , x3 , x4 são coordenadas de eixo x de centros dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q}, y1 , y2 , y3 , y4 são coordenadas de eixo y dos centros dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q} e z1 , z2 , z3 , z4 são eixos de coordenadas z dos centros dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q}.

[0090] De acordo com a definição do número de forças redundantes ao longo de uma certa direção feita de acordo com a equação (1-5), nesta modalidade, uma vez que cada um dos estresse dos eixo axial x é medido apenas uma vez durante sua transmissão, nx  1 . Da mesma maneira, de acordo com a definição do número de torques redundantes ao longo de uma certa direção, nesta modalidade, as condições que ny '  1，nz '  1 seguem também são satisfeitas: . Portanto, a força de contato agindo sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico pode ser obtida, combinando as equações (1-5), (1-6) e (1-7), como:

 Fq   f1  f 2  f3  f 4  M     q   r1  f1  r2  f 2  r3  f3  r4  f 4  (1-8) Fqx

[0091] A partir dessa equação (1-8), a força agindo sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico ao logo do eixo x do M qy M qz sistema de coordenadas {q} (força axial) e os torques e ao longo dos eixos y e z do sistema de coordenadas {q} podem ser obtidos como:  Fqx   f x1  f x 2  f x 3  f x 4   M qy   f x1 z1  f x 2 z2  f x 3 z3  f x 4 z4 M  f y  f y  f y  f y  qz x1 1 x2 2 x3 3 x4 4 (1-9)

[0092] Como pode ser visto a partir da equação (1-9), dispor os quatro elementos sensores 402 no sensor de força 400 permite medição de força ao longo de uma, duas ou três direções. Especificamente,

M quando z1 , z2 , z3 , z4 são todos zero, o torque qy ao longo do eixo y do sistema de coordenadas será zero. Similarmente, quando y1 , y2 , y3 , y4 são todos zero, o torque M qz ao longo do eixo z do sistema de coordenadas será zero. Como evidente, x1 , x2 , x3 , x4 são todos valores diferentes de zero.

[0093] De acordo com a presente modalidade, uma ou mais medição de força dimensional conforme necessário pode ser obtida primeiro derivando coordenadas dos elementos sensores no sistema de coordenadas {q} e então determinando as posições dos elementos sensores sobre o casquilho com base nas coordenadas derivadas. Quando uma medição de força de contato unidimensional é requerida, as coordenadas do eixo y e do eixo z dos elementos sensores podem ser ajustadas para zero. Quando mais, tais como duas ou três,

medições de força dimensional são necessárias, as coordenadas do eixo y e do eixo z dos elementos sensores, ou ambas, podem ser ajustadas para valores não zero. Depois disso, a estrutura do casquilho pode ser projetada conforme necessário de modo que qualquer porção desejada que não seja pretendida suportar um elemento sensor é removida através de processamento mecânico, dessa maneira formando o elemento perfurado com os elementos compatíveis 4011 para transmissão de uma força aplicada à seção transversal do casquilho.

[0094] Embora os princípios de medição do sensor de força tenham sido descritos em detalhes com referência às modalidades acima, é evidente que a presente invenção inclui as, mas não está limitada às configurações acima listadas acima, e qualquer mudança feita na mesma pretende também se encaixar no escopo de proteção da presente invenção. Outras modalidades estão disponíveis para aqueles versados na técnica à luz das modalidades acima.

[0095] Ainda, o sensor de força desta modalidade não é limitado à medição de uma força tridimensional (com um componente de força em uma dimensão e componentes de torque nas duas dimensões resultantes), ele pode ser também aplicado à medição de uma força bidimensional ou até mesmo uma força seis vezes dimensional (com componentes de força em três dimensões e componentes de torque nas três dimensões restantes). No caso de medição de força multidimensional, o número dos elementos sensores é pelo menos não menor do que o número de dimensões da força de contato. Na prática, o processo de projeto do sensor começa com determinação do número de dimensões da força a ser medida. Se a força a ser medida for n- dimensional, então pelo menos n elementos sensores independentes são necessários. Depois disso, uma equação de medição de força final (por exemplo, equação (1-10)) com posições e orientações dos elementos sensores como desconhecidas é estabelecida, e como os elementos sensores são dispostos é determinado com base na direção da força a ser medida. Por exemplo, se a força a ser medida estiver na direção x, os elementos sensores podem ser dispostos de modo racional em posições (com coordenadas x, y, z determinadas) e fx , f y , fz orientações (com determinados) que assegurem que uma medição de força não zero possa ser calculada na dita direção. Pelo menos, os elementos compatíveis podem ser projetados de modo a terem as mesmas posições e orientações que os elementos sensores independentes. São apresentadas acima apenas algumas exigências básicas. Em aplicações de engenharia práticas, a fim de que resistência e confiabilidade estruturais sejam obtidas, um elemento perfurado como acima definido pode ser formado através de uma circunferência, com uma pluralidade de (>=2) elementos sensores trabalhando em combinação para medir uma força ao longo de uma certa direção.

[0096] Em suma, o sensor de força da presente invenção é disposto na extremidade terminal do instrumento cirúrgico e configurado para medir uma força de contato agindo sobre a extremidade terminal. Além disso, o sensor de força é provido com um casquilho conectado de modo fixo com o instrumento cirúrgico, e o casquilho oferece pelo menos uma das vantagens que seguem: primeiro, nenhuma folga ocorre entre o casquilho e a estrutura mecânica do instrumento cirúrgico. Isso é propício para precisão de medição aperfeiçoada.

[0097] Segundo, para um procedimento cirúrgico requerendo o uso de instrumentos cirúrgicos múltiplos, um processo de calibragem específico pode ser realizado em cada um dos instrumentos cirúrgicos, permitindo imunidade de medição maior à influência de inconsistência de material do instrumento.

[0098] Terceiro, tais casquilhos podem ser usados em instrumentos cirúrgicos diferentes a fim de transmitir deformações desses instrumentos cirúrgicos. Comparado com ligação direta de elementos sensores às extremidades terminais dos instrumentos cirúrgicos, o uso dos casquilhos pode evitar variações de medição que possam surgir a partir da inconsistência de medição entre os elementos sensores sobre os instrumentos cirúrgicos diferentes, ajudando a atingir um grau maior de precisão e exatidão de medição.

[0099] Quarto, conexão dos elementos sensores aos instrumentos cirúrgicos com os casquilhos pode evitar descarte dos elementos sensores junto com os instrumentos cirúrgicos. Os instrumentos cirúrgicos são consumíveis, enquanto os elementos sensores são reutilizáveis. Obviamente, descarte dos elementos sensores junto com os instrumentos cirúrgicos não é uma prática econômica e levará a custo de uso aumentado.

[00100] Em uma modalidade preferida da presente invenção, uma pluralidade de elementos sensores é disposta sobre os elementos compatíveis do casquilho de uma maneira predeterminada, e cada um dos elementos sensores tem coordenadas predeterminadas no sistema de coordenadas para o instrumento cirúrgico. Com base nas coordenadas predeterminadas, as posições dos elementos sensores sobre os elementos compatíveis podem ser determinadas, desta maneira permitindo uma ou mais medição dimensional de uma força de contato agindo sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico. Isso implica uma abordagem de medição de força de contato mais fácil e mais simples, em que uma ou mais medição de força de contato dimensional é obtida apenas através do ajuste das posições do elemento sensor em relação ao sistema de coordenadas para o instrumento cirúrgico.

[00101] Na presente invenção, um sistema de robô cirúrgico é ainda provido. O sistema de robô cirúrgico inclui um escravo. O escravo inclui um braço robótico e o instrumento cirúrgico como definido acima. O instrumento cirúrgico é conectado de modo destacável à extremidade terminal do braço robótico e pode ser acionado para então se mover sobre um centro de movimento remoto (RCM). O sistema de robô cirúrgico também inclui um mestre e uma unidade de controle. O mestre inclui um indicador de força para exibição de uma informação sobre uma força de contato agindo sobre o efetor de extremidade. A unidade de controle é conectada comunicativamente a ambos o mestre e escravo e é configurada para obter a informação sobre a força de contato agindo sobre o efetor de extremidade a partir do sensor de força do instrumento cirúrgico e transmiti-la para o indicador de força.

[00102] O indicador de força pode ser um sistema de imagem 5 configurado para exibir informação sobre uma força agindo sobre o instrumento cirúrgico 3. Alternativamente, o indicador de força pode ser um console máster 7 equipado com um motor. O console máster 7 é configurado para, quando do recebimento de informação sobre uma força agindo sobre o instrumento cirúrgico 3, exercer uma ação responsiva sobre a mão do cirurgião de modo que o cirurgião possa "sentir" diretamente a força agindo sobre o instrumento cirúrgico 3.

[00103] O escravo inclui também um endoscópio e um suporte endoscópio conectado de modo destacável ao endoscópio. A fim de facilitar que o cirurgião observe como o instrumento cirúrgico está sendo pressionado no campo de visão do endoscópio, é necessário transformar a medição de força de contato descrita acima na extremidade terminal do instrumento cirúrgico em um sistema de coordenadas para o endoscópio. Dessa maneira, a força de contato agindo sobre a extremidade terminal do instrumento cirúrgico pode ser e observada no campo de visão do endoscópio (como uma força F e e um torque M ), permitindo que o cirurgião faça qualquer ajuste necessário na operação cirúrgica sendo realizada com base no feedback sobre a força de contato. Fq

[00104] Ao transformar a força resultante equivalente e o torque Mq resultante equivalente agindo sobre o instrumento cirúrgico 3 para o sistema de coordenadas {e} para o endoscópio de acordo com a equação (1-10), a força de contato F agindo sobre o instrumento cirúrgico 3 pode ser descrita adequadamente:  eF   e R 0   Fq  e  T e e e    M   S ( r ) R R  M q  (1-10) e onde F denota uma força resultante equivalente no e Sistema de coordenadas {e}; M um torque resultante equivalente no e sistema de coordenadas {e}; R , a matriz descrevendo a rotação do sistema de coordenada {q} para o sistema de coordenadas {e} (isto é, a orientação da extremidade terminal do instrumento cirúrgico no endoscópio); r   rx rz  , o vetor de raio do sistema de coordenadas {q} para e T ry o sistema de coordenadas {e} (isto é, a posição relativa da extremidade terminal do instrumento cirúrgico para a extremidade terminal do   T e endoscópio); , um operador de transposição de matriz; S ( r ) , uma e matriz antissimétrica correspondendo ao vetor r . S ( r ) é dado por: e  0 rz ry    S ( e r )   rz 0 rx   r rx 0   y (1-11)

[00105] Nesta modalidade, uma origem do sistema de coordenadas {e} é posicionada no centro do campo de visão do endoscópio. Especificamente, a origem do sistema de coordenadas {e} pode estar localizada na extremidade terminal do endoscópio 4. O sistema de coordenadas {e} também tem um eixo x, um eixo y e um eixo z. O eixo x do sistema de coordenadas {e} é definido como sendo normal para uma superfície de lente do endoscópio 4 conectado ao braço robótico

2. Opcionalmente, uma direção positiva do eixo x do sistema de coordenadas {e} pode apontar para uma extremidade proximal do endoscópio 4 (onde ele está conectado ao braço robótico 2) em direção à extremidade terminal do endoscópio. O eixo y do sistema de coordenadas {e} é perpendicular ao eixo x do mesmo e, similarmente, a direção do eixo z do sistema de coordenadas {e} pode ser determinada pela regra da mão direita. Mais preferivelmente, no caso do endoscópio ser um estereoscópio, o eixo y do sistema de coordenadas {e} é determinado por uma linha conectando os centros das duas superfícies da lente do endoscópio. Aqui, uma vez que o sistema de coordenadas {e} pode ser estabelecido por qualquer técnica adequada conhecida no campo, aqueles de habilidade na técnica reconhecerão, à luz da presente descrição, como estabelecer o sistema de coordenadas {e} no terminal do endoscópio e o sistema de coordenadas {q} na extremidade terminal do instrumento cirúrgico, e como descrever, no sistema de coordenadas {e}, a força de contato F agindo sobre o instrumento cirúrgico no sistema de coordenadas {q} através da transformação da posição e orientação entre os dois sistemas de coordenadas.

[00106] A descrição apresentada acima é apenas aquela de algumas modalidades preferidas da presente invenção e não limita o seu escopo de modo algum. Qualquer uma das mudanças e modificações feitas por aqueles de habilidade comum na técnica com base nos ensinamentos acima se encaixa no escopo como definido nas reivindicações apensas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Instrumento cirúrgico, caracterizado pelo fato de que compreende uma estrutura mecânica, um casquilho e um sensor de força; em que a estrutura mecânica compreende uma haste e um efetor de extremidade conectado à extremidade terminal da haste; o casquilho fixo ou destacável desliza sobre a extremidade terminal da haste; o sensor de força compreende pelo menos um elemento sensor e um módulo de medição periférico conectado ao elemento sensor, o elemento sensor é disposto sobre o casquilho e configurado para obter uma informação de tensão do casquilho; o módulo de medição periférico é configurado para obter um estresse medido pelo elemento sensor com base na informação de tensão obtida pelo elemento sensor e obter ambos uma força resultante equivalente e um torque resultante equivalente de uma força de ação aplicada pela haste ao casquilho com base no estresse medido pelo elemento sensor, a posição do elemento sensor e a direção de um eixo sensor do elemento sensor, dessa maneira obtendo uma força de contato exercida sobre o efetor de extremidade do instrumento cirúrgico.

2. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o casquilho compreende um elemento perfurado se estendendo em uma direção circunferencial, o elemento perfurado compreendendo uma pluralidade de elementos e aberturas compatíveis cada um localizado entre dois dos elementos compatíveis adjacentes, os elementos compatíveis sendo configurados para conectar uma seção superior do casquilho acima do elemento perfurado a uma seção inferior do casquilho abaixo do elemento perfurado, e em que o pelo menos um elemento sensor é disposto sobre os elementos compatíveis e configurado para medir uma pressão sobre os elementos compatíveis.

3. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os elementos compatíveis têm um módulo de elasticidade que não é maior do que um módulo de elasticidade da haste.

4. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que cada um dos elementos compatíveis compreende uma superfície interna, uma superfície externa e superfícies laterais, e em que o pelo menos um elemento sensor é disposto sobre as superfícies internas, superfícies externas ou superfícies laterais dos elementos compatíveis.

5. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o elemento perfurado é disposto em torno do meio axial do casquilho.

6. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eixo sensor do elemento sensor é disposto para ser paralelo ou perpendicular a uma direção axial do casquilho.

7. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o casquilho fixo desliza sobre a extremidade terminal da haste através de fixação, encaixe de interferência ou inserção.

8. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o casquilho destacável desliza sobre a extremidade terminal da haste através de conexão roscada, uma conexão de trava ou encaixe de pressão.

9. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o casquilho tem uma extremidade que nivela com a extremidade terminal da haste.

10. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 1,

caracterizado pelo fato de que o módulo de medição periférica compreende, conectada comunicativamente uma à outra em série, uma unidade de aquisição de dados, uma unidade de condicionamento de sinal e uma unidade de cálculo de saída; em que a unidade de aquisição de dados é configurada para adquirir saída de sinais a partir do elemento sensor, a unidade de condicionamento de sinal é configurada para condicionar a saída de sinais a partir do elemento sensor, e a unidade de cálculo e saída é configurada para realizar um cálculo com base nos sinais condicionados para obter a força de contato sobre o efetor de extremidade.

11. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a pressão medida pelo elemento sensor é dada por: fi  g ( i )  ki   i  f ( i ) i  1,2, ,n , em que i representa um elemento sensor i-ésimo; fi , um estresse medido pelo elemento sensor i-ésimo;  i , uma tensão do elemento compatível, no qual o elemento sensor i-ésimo está disposto, ao longo da direção do eixo sensor do elemento sensor i-ésimo; g () , uma função descrevendo uma relação entre o estresse e a tensão; ki , um fator de estresse-tensão do elemento compatível, sobre o qual o elemento sensor i-ésimo está disposto, ao longo da direção do eixo sensor do elemento sensor i-ésimo; e f ( i ) , um termo de compensação não linear para o estresse e a tensão.

12. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a força de contato compreende uma força resultante Fq Mq equivalente e um torque resultante equivalente ; o módulo de medição periférico é configurado para estabelecer um sistema de coordenadas {p} para o casquilho sobre ele, um sistema de coordenadas {q} para o instrumento cirúrgico na sua extremidade terminal e descritores da posição e orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}; o módulo de medição periférico é configurado ainda para obter um descritor do estresse medido pelo elemento sensor no sistema de coordenadas {q} com base no descritor da orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}, um descritor da direção do eixo sensor do elemento sensor no sistema de coordenadas {p} e o estresse medido pelo elemento sensor, dessa maneira obtendo Fq a força resultante equivalente ; o módulo de medição periférico é configurado ainda para obter um descritor da posição do elemento sensor no sistema de coordenadas {q} com base nos descritores da posição e orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q} e um descritor da posição do elemento sensor no sistema de coordenadas {p}; e o módulo de medição periférico é configurado ainda para obter um descritor de um torque agindo sobre o casquilho no sistema de coordenadas {q} com base no descritor do estresse medido pelo elemento sensor no sistema de coordenadas {q}, dessa maneira Mq obtendo o torque resultante equivalente .

13. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que: f xi , f yi , f zi   f i ei  fi  (exi , eyi , ezi )

T T i  1,2,..., n onde ei é um vetor unitário indicando um descritor da direção do eixo sensor do elemento sensor i-ésimo no sistema de coordenadas f ,f ,f {p}; fi , o estresse medido pelo elemento sensor i-ésimo; xi yi zi ,

componentes do fi ao longo dos eixos do sistema de coordenadas {p}; exi , eyi , ezi e , componentes de ei ao longo dos eixos do sistema de coordenadas {p}.

14. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que: o descritor do estresse medido pelo elemento sensor no sistema de coordenadas {q} é dado por: fi  q R  fi ei  onde f i representa um descritor do estresse medido pelo q elemento sensor i-ésimo no sistema de coordenadas {q}, e R representa o descritor da orientação do Sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}, e em que Fq a força resultante equivalente é dada por: n Fq  diag (1 nx ,1 n y ,1 nz ) f i i 1 onde diag () representa uma matriz diagonal com elementos n ,n ,n no vetor  como elementos diagonais, e x y z representa números de forças redundantes nas direções dos eixo x, eixo y e eixo z, respectivamente.

15. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que: o descritor da posição do elemento sensor no sistema de coordenadas {q} é dado por: ri  rp  q R p ri onde ri é um descritor da posição do elemento sensor i- p ésimo no sistema de coordenadas {q}; ri , um descritor da posição do q elemento sensor i-ésimo no Sistema de coordenadas {p}; R, o descritor da orientação do Sistema de coordenadas {p} no sistema de rp coordenadas {q}; e um descritor da posição do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}.

16. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que: n M q  diag (1 nx ',1 ny ',1 nz ') ri  fi i 1 nx ', ny ', nz ' onde representa os números de torques resultantes nas direções do eixo x, eixo y e eixo z, respectivamente.

17. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que: o elemento perfurado compreende quatro elementos compatíveis que são dispostos ao longo da direção circunferencial; o sensor de força compreende quatro elementos sensores, cada um disposto sobre uma superfície externa de um respectivo dos elementos compatíveis; os descritores e1 , e2 , e3 , e4 das direções dos eixos sensíveis dos quatro elementos sensores no sistema de coordenadas {p} são todos  1,0,0 

T   f 2   f x 2 0 0  =f 2e2

T   f3   f x3 0 0  =f3e3

T   f 4   f x 4 0 0  =f 4e4

T onde f x1 , f x2 , f x3 , f x 4 representam, respectivamente, estresse medido pelos primeiro a quarto elementos sensores na direção de um eixo-x do sistema de coordenadas {q}; e Fq a força resultante equivalente é dada por: Fq  (f1  f 2  f3  f 4 ) .

18. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que: q R , o descritor da orientação do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}, é uma matriz de identidade; e as posições dos elementos sensores são medidas como respectivas posições de centro, que são descritas no sistema de coordenadas {q} como: r1   x1 y1 z1 T  rp  p r1  r2   x2 y2 z2  =rp  p r2

T  r3   x3 y3 z3   rp  r3 T p  r4   x4 y4 z4   rp  r4 T p p onde r1, p r2 , p r3 , p r4 são descritores das posições de centro rp dos quatro elementos sensores no sistema de coordenadas {p}; ,o descritor da posição do sistema de coordenadas {p} no sistema de coordenadas {q}; x1 , x2 , x3 , x4 , coordenadas do eixo x das posições de centro dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q}; y1 , y2 , y3 , y4 , coordenadas do eixo y das posições de centro dos primeiro a quarto elementos sensores no Sistema de coordenadas {q}; z1 , z2 , z3 , z4 , coordenadas do eixo z das posições de centro dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q}; e r1 , r2 , r3 , r4 , descritores das posições dos primeiro a quarto elementos sensores no sistema de coordenadas {q}.

19. Instrumento cirúrgico de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que:

Mq o torque equivalente resultante é dado como: M q  (r1  f1  r2  f 2  r3  f3  r4  f 4 )

20. Sistema de robô cirúrgico, caracterizado pelo fato de que compreende um escravo, o escravo compreendendo: um braço robótico; e o instrumento cirúrgico compreendendo uma extremidade terminal conectada de modo destacável ao instrumento cirúrgico, o braço robótico sendo configurado para acionar o instrumento cirúrgico para se mover sobre um centro remoto de movimento.

21. Sistema de robô cirúrgico de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um mestre e uma unidade de controle, o mestre compreendendo um indicador de força; em que a unidade de controle está conectada comunicativamente a ambos o mestre e o escravo; a unidade de controle é configurada para obter uma informação sobre força de contato agindo sobre o efetor de extremidade a partir do sensor de força do instrumento cirúrgico e transmitir a informação para o indicador de força, o indicador de força é configurado para exibir a informação sobre a força de contato agindo sobre o efetor de extremidade.

22. Sistema de robô cirúrgico de acordo com a reivindicação 20 ou 21, caracterizado pelo fato de que o escravo compreende ainda: um endoscópio; e um suporte para endoscópio conectado de modo destacável ao endoscópio; em que o módulo de medição periférico do instrumento cirúrgico é configurado para estabelecer um sistema de coordenadas {p} para o escravo, um sistema de coordenadas {q} para o instrumento cirúrgico e um sistema de coordenadas {e} para o endoscópio e obter, e a partir da matriz R descrevendo uma rotação a partir do sistema de coordenadas {q} para o sistema de coordenadas {e} e um vetor de raio a partir do sistema de coordenadas {q} para o sistema de coordenadas {e}, um descritor da força de contato agindo sobre o efetor de extremidade no sistema de coordenadas {e} como:  eF   e R 0   Fq   e   T e e e    M   S ( r ) R R  M q  e onde F indica uma força resultante no sistema de e coordenadas {e}; M um torque resultante no Sistema de coordenadas e

F {e}; S ( r ) , uma matriz antissimétrica correspondendo ao vetor r ; q , e a força resultante equivalente da força de contato agindo sobre o efetor Mq de extremidade; , o torque resultante equivalente da força de contato agindo sobre um efetor de extremidade; e  0 rz ry    S ( e r )   rz 0 rx   r rx 0   y .