ES2538415B2 - Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales - Google Patents

Abstract

Sistema paralelo de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales.#El sistema está formado por dos mecanismos paralelos tipo SCARA, cada uno de los cuales está formado por dos brazos (2, 4) articulados entre sí por juntas rotacionales (3), y los brazos (4) articulados entre sí en correspondencia con efectores finales (5), siendo dicha articulación rotacional-esférica formada por un cojinete o rodamiento (7) y una rótula esférica (8), de manera que en correspondencia con esas articulaciones va montado un cilindro telescópico (9-11) que es hueco y en el que se introduce el dispositivo (17) que puede estar formado por un catéter, aguja quirúrgica u otro dispositivo similar, siendo accionados los brazos (2, 4) por motores (14) para que el dispositivo (17) montado en el cilindro telescópico y hueco (9-11) pueda ser guiado, desplazado y posicionado en un punto concreto de un paciente, por ejemplo, situado sobre una mesa.

Description

DESCRIPCIÓN

Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales.

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OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema paralelo de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, previsto preferente y fundamentalmente para su aplicación en intervenciones quirúrgicas mínimamente invasivas, en las que es 10 necesario manipular un útil para su aproximación y posicionado exacto en la ejecución de la propia intervención quirúrgica.

El objeto de la invención es conseguir un medio de guiado y posicionamiento de, por ejemplo, catéteres quirúrgicos, o bien dispositivos que deben apuntar y seguir dianas a 15 distancia, en donde el posicionamiento y guiado se realiza de forma robótica, en una actuación rápida, sencilla y de fácil control, pudiendo ser el dispositivo o útil manipulado robóticamente a gran velocidad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 20

En las tareas de posicionamiento y guiado de dispositivos hacia dianas, y en particular en aplicaciones médicas como pueden ser las intervenciones quirúrgicas mínimamente invasivas, se utilizan diversos tipos de dispositivos, entre los que pueden citarse los de los documentos correspondientes a las patentes US2011271785 (A1), ES2365359 T3, 25 ES2388029 A1, US 6246200B1, CN 202027713 (U), US 6705871, entre otros, en donde ninguno de los dispositivos correspondientes a esos documentos incluye un sistema de posicionamiento como el que se describirá en la presente solicitud de patente.

Concretamente, en el documento ES2365359 T3 se describe un sistema quirúrgico robótico 30 para realizar procedimientos médicos mínimamente invasivos, que comprende al menos un manipulador robótico serial de 5 grados de libertad, contando en su extremo operativo con un actuador de instrumento laparoscópico, que proporciona un grado de libertad extra por medio de una sexta junta de revolución que presenta el actuador, con lo que el conjunto cuenta con 6 grados de libertad. 35

En cuanto al documento ES2388029 A1, en el mismo se describe otro sistema robótico para cirugía laparoscópica, basado en una estructura de soporte donde se acopla de manera deslizante, al menos, un brazo, de manera que cada brazo cuenta con dos eslabones articulados entre sí. El primer elemento está articulado de manera giratoria en la estructura 40 de soporte y puede girar alrededor de un eje longitudinal y el segundo elemento puede recibir una articulación de, por lo menos, dos grados de libertad para el acoplamiento de una herramienta.

Igualmente puede citarse el documento correspondiente a la patente US 763537 B2, en 45 donde se describe un manipulador para soporte y desplazamiento de un objeto, comprendiendo una parte móvil soporte del objeto,. dos manipuladores con 5 juntas rotacionales entre eslabones conectados a la base a través de dos juntas rotacionales cada uno, de manera que la parte móvil es conectada a ambos manipuladores a través de dos juntas especiales, comprendiendo además unos mecanismos articulados y unas juntas 50 especiales, dispuestas de tal forma que el movimiento de la parte móvil queda restringido a dos grados de libertad traslacionales y dos rotacionales con respecto a la base. Este manipulador soporte cuenta además con cuatro actuadores dispuestos sobre la base de manera tal que el movimiento se controla de forma independiente.

Otros documentos en los que se describen dispositivos con la misma finalidad o bien para aplicaciones industriales concretas, son los correspondientes a las patentes CN201881384 (U), CN102476383 (A), CN201864343 (U), WO2011102629 (A2), US2011271785 (A1) y TW200904606 (A). 5

Igualmente puede citarse el documento correspondiente a la patente ES2262428B1, en el que se describe un “Robot paralelo de cuatro grados de libertad de rotación ilimitada”, basándose, al igual que el sistema de la invención, en ser un mecanismo del tipo SCARA, aunque en el sistema que se describirá y correspondiente a la presente invención, los 10 grados de libertad que se consiguen en el efector final son diferentes a los de ese documento referido en la citada patente, puesto que en ésta el efector final está orientado a tareas de “Pick and Place”, requiriéndose en este mecanismo tener al menos tres traslaciones en las coordenadas X, Y, Z.

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En el documento correspondiente a la patente US 4.976.582., se describe un sistema también enfocado a tareas de “Pick and Place”, cuyas características estructurales son bien diferentes a la del sistema a que se refiere la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN 20

El sistema paralelo de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, como puede ser una aguja quirúrgica u otros dispositivos tales como catéteres, pinzas, etc., utilizados en operaciones quirúrgicas laparoscópicas, está formado por dos mecanismos paralelos tipo SCARA unidos entre sí mediante un cilindro telescópico 25 formado por dos elementos cilíndricos de diferente diámetro, uno insertado en el interior del otro, formando entre si lo que es considerado como un eslabón telescópico, extensible mediante una articulación cilíndrica, estando dicho eslabón telescópico acoplado a los mecanismos paralelos tipo SCARA con juntas mecánicas complejas compuestas, cada junta, por una rótula esférica-rotacional, de manera que dicha estructura mecánica da lugar 30 a un sistema paralelo de cuatro grados de libertad que comprenden dos traslaciones en un plano y dos rotaciones perpendiculares al plano de traslación, resultando dicho tipo de movimientos especialmente apto para mecanismos que están enfocados hacia aplicaciones de apuntar hacia dianas en el espacio y que además requieran el seguimiento del objetivo, conocido como tracking. Este tipo de movimientos, de dos traslaciones y dos rotaciones, es 35 especialmente apto para operaciones quirúrgicas que implican usar catéteres o pinzas para laparoscopia.

En el caso de catéteres, el sistema de la invención facilita operaciones quirúrgicas que tiene que ver con la inserción de registros de oro en torno a tumores que posteriormente van a ser 40 irradiados, guiados por los registros de oro que funcionan como marcadores, debiendo los registros de oro ser insertados con precisión en torno a los tumores en base a imágenes médicas TAC que sirven para calcular la posición, la orientación y la profundidad de la inserción del registro.

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Otra aplicación para el sistema de la invención, es el de la inserción de electrodos en operaciones del cerebro que buscan corregir anomalías causadas por la enfermedad del Parkinson, de manera que la inserción de electrodos profundos en la masa encefálica es una operación que requiere alta precisión por los enormes riesgos que conlleva, en orden a evitar dañar zonas sanas del cerebro. La inserción de electrodos al igual que los catéteres, 50 requiere que el cirujano realice la inserción de acuerdo a una diana previamente planificada en base a imágenes médicas que dan la posición y orientación del electrodo y la profundidad. Esta información vectorial en base a imágenes médicas, puede ser transmitida a un sistema de control que forma parte del sistema de la invención, para que se posicione y

oriente en la zona requerida, facilitando al cirujano la inserción, ya sea por un dispositivo de inserción de precisión o manualmente.

Otra posible aplicación de la invención es para dirigir armamento hacia dianas calculadas con coordenadas que pueden ser introducidas en el sistema de control que forma parte del 5 sistema de la invención.

Otro tipo de aplicación tiene que ver con que el sistema paralelo puede ser utilizado para patas en robots móviles.

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Otra posible aplicación es en robots submarinos para el control vectorial en el espacio de los impulsores.

Por otro lado, el sistema de la invención puede llevar ensamblados dispositivos para controlar con precisión la inserción a través de su efector final telescópico. 15

El sistema paralelo de la invención puede ser actuado manualmente y bloqueado con frenos, o bien actuado de manera automática con motores en las articulaciones de su base.

El efector final del sistema que establece el medio de articulación de los dos mecanismos 20 paralelos tipo SCARA, tiene en cada caso una articulación distal compleja de tipo rotacional-esférica, resultando dichas articulaciones concéntricas y basadas en un cojinete rotativo o rodamiento y una rótula esférica hueca, yendo en cada una de éstas soldado un eslabón cilíndrico con agujero central, del lado de unos de los mecanismos del tipo planar, mientras que en el otro mecanismo planar el eslabón cilíndrico está unido a la correspondiente rótula 25 esférica, de manera que en el primer caso el eslabón cilíndrico corresponde al elemento cilíndrico externo, y en el segundo caso al elemento cilíndrico interno, entre los cuales forman el cilindro o eslabón telescópico.

Cada mecanismo paralelo del tipo planar correspondiente al sistema de la invención, forma 30 una cadena cerrada con dos grados de libertad de desplazamiento del centro de su articulación distal compleja del tipo rotacional-esférica anteriormente referida, que hace de efector final en el que los brazos de cada mecanismo paralelo están unidos a las respectivas bases mediante articulaciones rotacionales, y unidos los brazos de cada mecanismo mediante una articulación rotacional, y los otros dos brazos mediante una articulación 35 compleja rotacional esférica, que corresponde al efector final.

A través del cilindro telescópico o eslabón que relaciona los dos mecanismos paralelos, se pueden introducir dispositivos tales como catéteres, o ensamblar otro tipo de elementos.

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Cabe decir que los mecanismos paralelos son accionados mediante correspondientes motores en combinación con un sensor de posición rotacional, de manera que cada motor puede ser reemplazado por un freno de bloqueo para llevar a cabo el accionamiento manual, como ya se ha dicho con anterioridad.

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Es de destacar igualmente el hecho de que el sistema paralelo de la invención puede estar ensamblado sobre un sistema de posicionado formado por bloques deslizantes que deslizan sobre guías para posibilitar localizar el propio sistema en la posición deseada, mediante medios de medición apropiados, y con ello asegurarse de manera exacta a una mesa en la que se situará al paciente, y en la que se han previsto alineaciones de orificios espaciados 50 modularmente a cada lado para fijar unos pilares o torres de afianzamiento del sistema de posicionado en cuestión.

En una alternativa de realización, el sistema paralelo de la invención puede materializarse

como un mecanismo paralelo más simple, en el que uno de los brazos de cada mecanismo paralelo es accionado por el correspondiente motor, mientras que los otros brazos son accionados a través de una transmisión de correas dentadas.

Concretamente, en dicha alternativa de realización simple participan solo dos brazos 5 seriales en cada lado, articulados entre si a través de una articulación rotacional, siendo una de las parejas de brazos de cada mecanismo, accionada mediante la transmisión por correa dentada y correspondiente motor. En caso manual, el accionamiento sería mediante un freno de bloque articular.

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Por último decir que el sistema, en cualquiera de sus versiones, estará realizado en materiales no magnéticos que permiten la aplicación en el campo de la medicina.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

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Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña la presente memoria descriptiva, formando parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

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La figura 1.- Muestra una representación correspondiente a una vista en planta del sistema paralelo de la invención.

La figura 2.- Muestra una vista en perspectiva del sistema representado en la figura anterior.

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La figura 3.- Muestra una vista en sección correspondiente a la línea (A-A) representada en la figura anterior.

La figura 4.- Muestra un detalle ampliado del seccionado correspondiente a la figura anterior, dejando ver con mayor claridad la articulación compleja rotacional esférica. 30

La figura 5.- Muestra una vista en planta como la de la figura 1, pero con la incorporación de un catéter montado sobre el efector final del sistema.

La figura 6.- Muestra una vista de perspectiva del conjunto representado en la figura 35 anterior.

La figura 7.- Muestra una vista en sección del sistema representado en la figura anterior, habiéndose realizado el seccionado en correspondencia con el cilindro o eslabón telescópico donde va montado el catéter. 40

La figura 8.- Muestra un detalle ampliado que corresponde al enmarcado con (J) en la figura anterior.

Las figuras 9, 10, 11 y 12.- Muestran diferentes vistas del sistema de la invención, que 45 corresponden a otras tantas fases de accionamiento del mismo para apuntar y guiar el catéter montado en el mismo.

Las figuras 13 y 14.- Muestran sendas vistas en perspectiva de la aplicación práctica del sistema de la invención, para el posicionado de un catéter sobre una zona o punto exacto de 50 un paciente situado sobre una mesa.

Las figuras 15 y 16.- Muestran vistas análogas a las de las figuras 13 y 14, pero utilizando un sistema paralelo más simple.

La figura 17.- Muestra una vista en perspectiva del sistema paralelo en su versión más simple, mostrado en las figuras 15 y 16.

La figura 18.- Muestra, finalmente, una vista en perspectiva de un soporte unilateral para el 5 posicionamiento del dispositivo paralelo.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Tal y como se puede ver en las figuras referidas, el sistema de la invención referenciado con 10 el número (12) , consiste en un mecanismo paralelo con cuatro grados de libertad para posicionar, apuntar y guiar dispositivos hacia dianas, basado en el control vectorial del centro de sus efectores finales unidos mediante un cilindro telescópico, presenta la particularidad de que el mecanismo paralelo tiene dos grados de libertad de desplazamiento y dos grados de libertad de orientación. 15

El sistema de la invención está formado por dos mecanismos paralelos (12) tipo SCARA acoplados entre sí por sus extremos a través de un efector final (5), mediante una articulación compuesta compleja rotacional-esférica (10), estando ambos mecanismos paralelos unidos entre si mediante un cilindro telescópico (9-11), formando un eslabón 20 extensible que sirve para el montaje de un dispositivo como puede ser un catéter, aguja quirúrgica o similar (17), introducida en ese cilindro telescópico (9-11), para llevar a cabo su apuntamiento, guiado, desplazamiento y orientación a un punto concreto, como puede ser un punto de un paciente que vaya a ser intervenido quirúrgicamente.

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Cada mecanismo paralelo está formado por dos parejas de barras (2, 4) articuladas entre si por juntas rotacionales (3) y accionables mediante motores (14), en donde la posición se controla mediante un sensor rotativo (13).

Las bases (1) y los brazos (2, 4), articulados entre si por respectivas juntas rotacionales (3), 30 y acoplados entre si por sus extremos a través de efectores finales (5), establecen ese acoplamiento a través de dos juntas mecánicas complejas del tipo rotacional-esférica (10), compuesta en cada caso por un cojinete o rodamiento (7) y una rótula esférica (8), dotada ésta de un orificio central en el que se ensambla un cilindro telescópico formado por un elemento interno (11) y un elemento externo de mayor diámetro (9), formando lo que puede 35 considerarse un eslabón telescópico o cilindro telescópico propiamente dicho.

La junta compleja del efector final (5) de cada mecanismo paralelo, presenta la particularidad de que el cojinete o rodamiento (8) y la rótula esférica (10) son concéntricas, de manera que tales elementos de articulación proporcionan dos grados de libertad, tanto en 40 el plano horizontal como en el plano vertical, lo que da origen a cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales.

Los mecanismos paralelos referidos con dos grados de libertad, pueden ser accionados automáticamente mediante motores (14), controlando su posición mediante un sensor de 45 medición de posición angular rotativo (13), o bien ser accionados manualmente, en cuyo último caso el motor o motores (14) serán reemplazados por un sistema de freno de bloqueo, consiguiéndose el posicionamiento manual del sistema mediante el desplazamiento a mano del eje telescópico (9-11), orientándolo hacia el objetivo, gracias a la ayuda de los sensores rotativos (13), que tienen definidos sus ángulos de rotación 50 mediante la solución de la cinemática inversa del mecanismo paralelo, precalculada mediante un algoritmo numérico.

Evidentemente el control automático motorizado se basará en un computador que mediante

la introducción de los objetivos de la diana, calculará la cinemática inversa para controlar en lazo cerrado el posicionamiento de los motores (14) que mueven los brazos (2).

El cilindro telescópico (9-11) es hueco y en el se introducirá un dispositivo o útil, tal como una aguja quirúrgica (17), la cual será convenientemente apuntada, guiada, desplazada y 5 orientada.

La aplicación del sistema, como se muestra en las figuras 13 y 14, permite que ese dispositivo o aguja quirúrgica (17) sea posicionada correctamente sobre un paciente situado sobre una mesa (23) que, en correspondencia con las zonas longitudinales y marginales, 10 presenta orificios (24) en los que son susceptibles de situar columnas (18) entre las que van montados bloques deslizantes (19); tal y como se muestra en las figuras 13 y 14, en las que se establecen unas guías en horizontal y perpendiculares entre si (21, 22), por las que discurre un bloque (20); todo ello de manera tal que en base a dichos elementos y en combinación con un dispositivo apropiado, es posible localizar el sistema paralelo (12) en la 15 posición deseada.

En las figuras (15, 16 y 17) se muestra el sistema en una alternativa más simple, y referenciado en general con el número (15), comprendiendo en este caso todas las características y partes que componen el sistema descrito anteriormente, con la única 20 salvedad de que en este caso el accionamiento de los brazos (4) se realiza mediante una transmisión por correa dentada (16), a través del accionamiento de los correspondientes motores (14). En esta realización simple existen únicamente un par de brazos seriales en cada lado, articulados entre si a través de una articulación rotacional (3) como la descrita con anterioridad. Además, en dicha realización simple los brazos (2) están unidos por un 25 extremo de forma articulada a una base (1) mientras que los brazos (4) están unidos por su extremo opuesto a una articulación compleja rotacional-esférica (10), también comentada con anterioridad, en la que está situado el efector final (5).

Finalmente, en la figura 18, se muestra una variante de realización, en la que el sistema que 30 forma las parejas de mecanismos paralelos (12, 15), es susceptible de estar ensamblado sobre un sistema de posicionado unilateral formado por bloques deslizantes (25, 26, 27) que deslizan sobre elementos de guía que posibilitan localizar el conjunto del sistema deseado a lo largo de la mesa (24).

Claims (10)

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   REIVINDICACIONES

   1.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, aplicable preferentemente en intervenciones quirúrgicas mínimamente invasivas, en las que es necesario manipular robóticamente un dispositivo, como puede ser un catéter, aguja quirúrgica u otro, para su 5 aproximación y posicionado sobre un paciente y realizar la ejecución de la intervención quirúrgica pretendida, se caracteriza porque comprende dos mecanismos paralelos (12) determinantes de dos cadenas de cinemática paralelas del tipo planar, con dos grados de libertad de traslación cada una, moviéndose en dos planos de trabajo separados y paralelos, y en donde ambos mecanismos paralelos (12) están acoplados entre si a través de un 10 efector final (5) que en cada caso presentan juntas mecánicas complejas del tipo rotacional esférica (10), formadas por un cojinete rotativo o rodamiento (7) y una rótula esférica hueca (8), uniéndose ambos mecanismos paralelos mediante un eslabón cilíndrico formado por un elemento cilíndrico interno (11) y un elemento cilíndrico externo (9), acoplados telescópicamente entre si, estableciendo un cilindro o eslabón telescópico extensible 15 mediante una articulación cilíndrica.
2. 2.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, según reivindicación 1, caracterizado porque cada mecanismo paralelo (12) de tipo planar, con dos grados de libertad de 20 desplazamiento del centro de su articulación distal que hace de efector final (5), está formada por dos parejas de brazos (2, 4), articulados entre si a través de una articulación rotacional (3), estando los brazos (2) unidos por un extremo de forma articulada a una base (1) y los brazos (4) unidos por su extremo opuesto a la articulación compleja rotacional-esférica (10) en la que está establecido el efector final (5). 25
3. 3.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el eslabón o cilindro telescópico (9-11) es hueco y permite la introducción de dispositivos tales como catéteres, agujas quirúrgicas (17) o ensamble de 30 otro tipo de dispositivos.
4. 4.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los mecanismos paralelos que forman las parejas de brazos (2,4) con 35 las articulaciones correspondientes, son accionadas por respectivos motores (14), en combinación con un sensor de medición de posición angular rotativo (13).
5. 5.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, según reivindicación 4, caracterizado 40 porque los motores de accionamiento (14) son susceptibles de ser reemplazados por un freno de bloqueo para permitir el accionamiento manual del sistema.
6. 6.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, según reivindicaciones anteriores, 45 caracterizado porque el sistema que forma las parejas de mecanismos paralelos (12), es susceptible de estar ensamblado sobre un sistema de posicionado formado por bloques deslizantes (19) que deslizan sobre elementos de guía (18, 21 y 22) que posibilitan localizar el conjunto del sistema deseado a lo largo de la mesa (24).

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7. 7.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, según reivindicación 6, caracterizado porque el sistema de posicionado va montado sobre una mesa (23) en la que se sitúa el

   paciente, cuya mesa presenta parejas de orificios (24) en correspondencia con alineaciones próximas a los laterales longitudinales, para fijar a cada lado las columnas (18) que forman parte del sistema de posicionado y de guiado.
8. 8.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad 5 para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema está configurado como un sistema paralelo más simple (15), formado por el mismo tipo de elementos, pero únicamente por un par de brazos seriales en cada lado, paralelos y por articulados entre si a través de una articulación rotacional (3), estando los brazos (2) unidos por un extremo de forma articulada a una base (1) y los 10 brazos (4) unidos por su extremo opuesto a la articulación compleja rotacional-esférica (10) en la que está establecido el efector final (5), siendo los brazos (4) de cada mecanismo paralelo accionados preferiblemente mediante una transmisión por correa dentada (16) y su correspondiente motor (14) o en el caso manual por un freno de bloqueo articular.

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9. 9.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema que forma las parejas de mecanismos paralelos (12, 15), es susceptible de estar ensamblado sobre un sistema de posicionado unilateral formado por bloques deslizantes (25, 26, 27) que deslizan sobre elementos de guía que posibilitan 20 localizar el conjunto del sistema deseado a lo largo de la mesa (24).
10. 10.- Mecanismo del tipo articulado de morfología serial-paralela de cuatro grados de libertad para apuntar y guiar dispositivos hacia dianas distales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos y medios que participan en la estructura del sistema 25 paralelo, incluidos los medios de guiado y deslizantes, están realizados en materiales no magnéticos para permitir su aplicación en el campo de la medicina.