FR2715597A1 - Device for adjusting and positioning of an element in space. - Google Patents

Device for adjusting and positioning of an element in space. Download PDF

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Abstract

Device for spatially displacing and positioning an element (2) at the site of an operative incision (3), of the type comprising at least three successive degrees of freedom in relation to a support (5), a carrying arm or a carrying arm assembly (13, 15) being articulated to the support (5) by means of one of its most remote parts (4) and carrying the element (2) at its other remote part (6). According to the invention, the carrying arm or carrying arm assembly (13, 15) is mounted on the support (5) by means of a first rotation (R1) about a first axis (9) oriented towards the operative incision site (3) and by the translation (T1) of the axis (11) perpendicular to the axis of rotation (9).

Description

DISPOSITIF DS DBPLACEMENT BT Dg POBITIONNEnENT D'UN DEVICE DS DBPLACEMENT BT Dg POBITIONNEnENT A
ELEMBNT DANS t'ESPACE IN SPACE you ELEMBNT
L'invention concerne un dispositif pour le déplacement et le positionnement d'un élément destiné à évoluer dans l'espace dans un champ opératoire, du type comprenant au moins trois degrés de liberté en série, par rapport à un support. The invention relates to a device for moving and positioning a member to move in the space in a surgical field, comprising at least three degrees of freedom in series, with respect to a support.

On connait déjà de nombreux dispositifs de ce type, par exemple les bras de robots industriels. We already know many of this type, such as arms of industrial robots. Un tel dispositif est généralement constitué d'un membre porteur monté articulé sur le support par une de ses extrémités et portant ledit élément à son autre extrémité. Such a device generally consists of a carrier member mounted articulated on the support by one of its ends and carrying said member at its other end. En général, le membre porteur comporte trois axes principaux définissant trois degrés de liberté, et l'orientation dudit élément est généralement réalisé par un poignet formant l'articulation par rapport au membre porteur, et qui comporte également trois degrés de liberté, généralement des rotations. In general, the carrier member comprises three main axes defining three degrees of freedom, and the orientation of said element is generally performed by forming a wrist joint relative to the carrier member, and which also has three degrees of freedom, typically rotations .

Dans cette configuration classique d'un bras de robot articulé, généralement calqué sur la morphologie humaine, le poignet porté par le membre porteur est extrêmement complexe, onéreux et généralement encombrant du seul fait de la présence indispensable des trois degrés de liberté localisés à cet endroit. In this conventional configuration of an articulated robot arm, usually modeled on human morphology, wrist carried by the carrier member is extremely complex, expensive and bulky usually only because of the indispensable presence of three degrees of freedom located at this location . Or, l'encombrement dans l'espace du poignet et de la main limite les possibilités de travail et, plus généralement les performances du dispositif. But the clutter in the space of the wrist and hand limits the scope of work and more generally the performance of the device. Dans le même sens, une masse importante portée à l'extrémité libre de ce dispositif en forme de bras articulé limite les performances en vitesse et en accélération. In the same direction, a large mass range at the free end of the articulated arm-shaped device limits the performance speed and acceleration.

Ce souci de disposer d'un champ opératoire dégagé autour de la main et de l'outil du dispositif se présente de façon particulièrement accrue pour les applications dans lesquelles l'élément est destiné à évoluer dans une zone localisée et circonscrite bien définie, ainsi que dans les applications où le dispositif est destiné à évoluer en coopération directe avec des opérateurs humains pour constituer par exemple un robot d'aide à la manipulation ou aux gestes humains. This desire to have a surgical drape around the hand released and the device of the present tool, increasingly, for applications in which the element is intended to move in a localized and limited defined area, and in applications where the device is intended to move in direct cooperation with human operators to constitute e.g. the aid handling robot or human gestures. Tel est plus particulièrement le cas dans le domaine biomédical et chirurgical, notamment neurochirurgical. This is particularly true in the biomedical and surgical field, including neurosurgery.

L'invention vise donc de façon générale à proposer un dispositif de déplacement et de positionnement d'un élément dans l'espace du type à moins trois degrés de liberté en série, qui ne comporte pas de poignet sophistiqué et encombrant. The invention therefore relates generally to provide a device for moving and positioning an element in the type of space at least three degrees of freedom in series, which does not involve sophisticated and bulky wrist.

L'invention a également pour objet de proposer un tel dispositif dont la portion d'extrémité portant l'outil de travail est extrêmement simplifiée et peu encombrante. The invention also aims to provide such a device whose end portion carrying the working tool is extremely simplified and compact.

L'invention a également pour objet de proposer un tel dispositif susceptible de pouvoir être utilisé en coopération directe et permanente avec les opérateurs humains, par exemple pour l'aide à la manipulation. The invention also aims to provide such a device may be used in direct and continuous cooperation with human operators, for example to aid in handling.

L'invention a également pour objet de proposer un tel dispositif permettant de réaliser un système robotisé destiné aux opérations biomédicales ou chirurgicales, et plus particulièrement neuro-chirurgicales. The invention also aims to provide such a device for performing a robotic system for biomedical or surgical operations, and more particularly neuro-surgical.

Pour ce faire, l'invention propose un tel dispositif caractérisé en ce que le bras ou l'ensemble de bras porteur est monté sur le bdti par une première rotation autour d'un premier axe orienté vers le champ opératoire et par une translation d'axe orthogonal à l'axe de rotation. To do this, the invention provides such a device characterized in that the arm or the set of carrier arms is mounted on the BDTI by a first rotation about a first axis oriented towards the operative field and by a translation of axis orthogonal to the axis of rotation.

On a constaté, contrairement aux configurations généralement utilisées et au préjugé général antérieur, que le seul fait de prévoir un tel premier axe de rotation et un axe de translation orthogonal au premier axe de rotation entre le ou les bras et le bâti, permet de s'affranchir de l'utilisation d'un poignet conventionnel, c'est à dire d'une liaison à au moins trois degrés de liberté en rotation. It has been found, contrary to the commonly used configurations and prior general prejudice, that the mere fact of providing such a first rotational axis and an axis orthogonal translation to the first axis of rotation between the arm or arms and the frame, allows s 'avoid the use of a conventional wrist, i.e. a connection to at least three degrees of freedom in rotation. Dès lors, l'extrémité libre du ou des bras porteur et son association avec les moyens support de l'élément peuvent être simplifiées évitant ainsi les fausses manipulations, diminuant les imprécisions et augmentant la rigidité générale de l'ensemble, le tout avec un encombrement largement diminué par rapport à l'art antérieur. Therefore, the free end of the support arm and or its association with the support means of the element can be simplified thereby avoiding false manipulations, reducing inaccuracies and increasing the overall rigidity of the assembly, all with dimensions decreased significantly compared to the prior art.

Selon l'invention, l'élément est destiné à évoluer dans un champ opératoire localisé et circonscrit de façon prédéterminée et présentant au moins un axe de symétrie, notamment dans un champ opératoire biomédical, chirurgical ou neuro-chirurgical, et le dispositif est caractérisé en ce que le premier axe de rotation est orienté selon un axe de symétrie du champ opératoire. According to the invention the member is adapted to move in a localized surgical field and in a predetermined manner circumscribed and having at least one axis of symmetry, in particular a biomedical drape, surgical or neuro-surgical, and the device is characterized in that the first rotational axis is oriented along an axis of symmetry of the operative field. Ledit axe de translation est au moins sensiblement orthogonal à la direction générale entre le bâti et le champ opératoire. Said translation axis is at least substantially orthogonal to the general direction between the frame and the operative field.

L'invention concerne également plus particulièrement un robot médical, biomédical, chirurgical ou neurochirurgical constitué d'un tel dispositif. The invention also relates more particularly to a medical robot, biomedical, surgical and neurosurgical made of such a device.

L'invention concerne également un tel dispositif comportant en combinaison tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. The invention also concerns a device comprising a combination of all or part of the features mentioned above or below.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles Other advantages and features of the invention appear on reading the following description of a preferred embodiment of the invention which refers to the appended figures in which
- La figure 1 est un schéma illustrant la cinématique d'un dispositif selon l'invention - Figure 1 is a diagram illustrating the kinematics of a device according to the invention
- Les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en perspective du mode de réalisation du dispositif selon l'invention selon deux positions différentes. - Figures 2 and 3 are schematic perspective views of the device of the embodiment according to the invention in two different positions.

L'invention concerne un dispositif 1 de déplacement de positionnement d'un élément 2 destiné à évoluer dans l'espace d'un champ opératoire 3. The invention relates to a device 1 for positioning displacement of a member 2 designed to move in the space of a surgical drape 3.

Le dispositif 1 est monté par une de ses parties extrêmes 4 sur un bâti 5. The device 1 is mounted by one of its end portions 4 of a frame 5.

A son autre partie extrême opposée 6, le dispositif comporte ou supporte l'élément 2 à demeure ou non, directement ou indirectement, au moyen d'organes de fixation amovibles, d'une platine ou tout autre moyen de support 7. At its other opposite end portion 6, the device comprises or supports the element 2 to remain or not, directly or indirectly, by means of removable fixing members, a plate or any other means of support 7.

Le dispositif 1 comprend, à partir de sa partie extrême 4 et jusqu'à sa partie extrême opposée 6, la succession d'organes qui est maintenant décrite, ces organes étant agencés entre eux pour définir des axes de déplacement tels que le dispositif 1 présente au moins trois degrés de liberté motorisés. The device 1 comprises, from its end portion 4 and to its opposite end portion 6, the succession of bodies is now described, these members being arranged between them to define axes of movement such that the device 1 has at least three degrees of freedom motorized.

Une platine 8 formant la partie extrême 4 est montée sur le bâti 5 de manière à pouvoir pivoter de façon relative autour d'un premier axe de rotation 9 (définissant ainsi une première rotation R1). A plate 8 forming the end portion 4 is mounted on the frame 5 so as to be pivotable relative manner about a first rotational axis 9 (thereby defining a first rotation R1).

L'axe 9 est orienté vers le champ opératoire 3, notamment selon son axe principal ou de symétrie. The shaft 9 is directed towards the operative field 3, in particular according to its main axis or symmetry.

Sur la platine 8 est monté un chariot 10 de manière à pouvoir coulisser sur une certaine course et de façon relative le long d'un premier axe de translation 11 (définissant ainsi une première translation T1). On the plate 8 is mounted a carriage 10 so as to be slidable over a certain stroke and so on along a first translation axis 11 (thereby defining a first translation T1).

Les axes 9 et 11 sont perpendiculaires et sécants. The axes 9 and 11 are perpendicular and intersect.

L'axe 11 s'étend essentiellement dans une direction orthogonale ou transversale à celle définie par l'élément 2 et le bâti 5. The axis 11 extends substantially in an orthogonal or transverse direction to that defined by the element 2 and the frame 5.

L'ensemble 8, 9, 10, 11 forme une articulation du dispositif 1 au bâti 5. The assembly 8, 9, 10, 11 forms a joint of the device 1 to the frame 5.

Sur le chariot 10, et notamment sur une oreille 12 de celui-ci perpendiculaire à l'axe 11, est monté par sa première partie extrême, un premier bras 13, de manière à pouvoir pivoter de façon relative autour d'un deuxième axe de rotation 14 (définissant une deuxième rotation R2). On the carriage 10, and including a lug 12 thereof perpendicular to the axis 11, is mounted by its first end portion, a first arm 13 so as to be pivotable relative manner about a second axis rotation 14 (defining a second rotation R2).

L'axe 14 est orthogonal à l'axe 9. En particulier, les axes 9 et 14 sont perpendiculaires et sécants, l'axe 14 étant parallèle à l'axe 11. The axis 14 is orthogonal to the axis 9. In particular, the axes 9 and 14 are perpendicular and secant with the axis 14 being parallel to the axis 11.

Sur le premier bras 13 et à sa seconde partie extrême est monté, par sa première partie extrême, un second bras 15 de manière à pouvoir pivoter, de façon relative, autour d'un troisième axe de rotation 16 (définissant une troisième rotation R3). On the first arm 13 and at its second end portion is mounted by its first end portion, a second arm 15 so as to be pivotable, relative terms, around a third axis of rotation 16 (defining a third rotation R3) .

L'axe 16 est parallèle à l'axe 14. The axis 16 is parallel to the axis 14.

Sur la seconde partie extrême du second bras 15 est montée une première pièce de maintien 17 de manière à pouvoir pivoter de façon relative, autour d'un quatrième axe de rotation 18 (définissant une quatrière rotation R4). On the second end portion of the second arm 15 is mounted a first holding part 17 so as to be pivotable relatively, about a fourth axis of rotation 18 (defining a rotation quatrière R4).

L'axe 18 est parallèle aux axes 14 et 16. The axis 18 is parallel to the axes 14 and 16.

Sur la première pièce de maintien 17 est montée une deuxième pièce de maintien 19 de manière à pouvoir coulisser, sur une certaine course et de façonn relative, le long d'un deuxième axe de translation 20 (définissant une deuxième translation T2). The first holding part 17 is mounted a second holding part 19 so as to be slidable over a certain stroke and façonn on, along a second translation axis 20 (defining a second translation T2).

L'axe 20 est orthogonal, notamment perpendiculaire, à l'axe 18. The axis 20 is orthogonal, in particular perpendicular, to the axis 18.

Sur la deuxième pièce de maintien 19 est montée une troisième pièce de maintien 21, de manière à pouvoir pivoter, de façon relative autour d'un cinquième axe de rotation 22 (définissant une cinquidre rotation R5). The second holding piece 19 is mounted a third holding part 21 so as to be pivotable so on around a fifth axis of rotation 22 (defining a rotation cinquidre R5).

L'axe 22 est parallèle à l'axe 20 mais écarté transversalement de lui. The axis 22 is parallel to the axis 20 but spaced transversely of it.

Les trois pièces de maintien 17, 19, 21 forment, ensemble, une tête treminée par les moyens support 7 donc par l'élément 2. The three holding parts 17, 19, 21 together form a head treminée by the support means 7, therefore, by the element 2.

La cinquième rotation R5 correspond à celle propre de l'élément 2. Elle est prévue pour autant que nécessaire. The fifth R5 rotation matches that own the item 2. It is planned as long as necessary.

L'invention est particulièrement avantageuse et plus spécifiquement applicable dans le cas où le champ opératoire 3 présente une certaine symétrie axiale ou sphérique. The invention is particularly advantageous and more specifically applicable in the case where the drape 3 has an axial symmetry or spherical. Dans ce cas, l'axe 9 de la rotation R1 est orienté pour correspondre à un axe de symétrie principal du champ opératoire 3. Les déplacements de l'élément 2 peuvent être ainsi réalisés de façon symétrique avec une grande précision et permettent de choisir des orientations des bras 13, 15 et des moyens support 7 en vue d'optimiser l'accessibilité au champ opératoire. In this case, the axis 9 of rotation R1 is oriented to correspond to a main axis of symmetry of the operative field 3. The movement of the element 2 can thus be made symmetrically with great precision and make it possible to select orientations of the arms 13, 15 and the support means 7 in order to optimize the accessibility of the surgical field.

Les figures 2 et 3 représentent selon deux orientations différentes un mode de réalisation de l'invention pour une application neuro-chirurgicale. Figures 2 and 3 show in two different orientations to one embodiment of the invention for a neurosurgical application. La tête du patient est insérée dans une bride 23 cylindrique de révolution. The patient's head is inserted into a cylindrical flange 23 of revolution. L'axe 9 de la première rotation R1 est aligné selon l'axe de symétrie de cette bride 23. Cet axe 9 est donc globalement orienté suivant l'axe principal du corps du malade à opérer, celui-ci étant supposé allongé horizontalement. The axis 9 of the first rotation R1 is aligned along the axis of symmetry of the flange 23. This axis 9 is oriented generally along the main axis of the body of the patient to operate, it being assumed elongated horizontally.

Les rotations R1, R2, R4, R5, et les translations T1 et T2 peuvent être réalisées de façon connue en soi ou à la portée de l'homme du métier par des servo-moteurs de haute précision commandés par commande numérique. Rotations R1, R2, R4, R5, and translations T1 and T2 can be produced in known manner per se or the scope of the skilled artisan by high-precision servo motors controlled by digital control. L'architecture du dispositif selon l'invention permet en particulier d'utiliser des éléments identiques particulièrement simples, notamment pour les rotations R2, R3, R4. The architecture of the device according to the invention makes it possible in particular to use particularly simple like elements, particularly for rotations R2, R3, R4.

Ainsi, l'invention concerne plus particulièrement un robot neuro-chirurgical comprenant des bras porteurs 13, 15 caractérisé en ce que l'articulation de ces bras porteurs 13, 15 au bâti fixe 5 comporte une rotation R1 d'axe 9. Un tel robot facilite et sécurise grandement le travail du chirurgien dans les opérations complexes requérant à la fois une grande précision et une accessibilité permanente du champ opératoire 3. Thus, the invention relates more particularly to a neuro-surgical robot comprising carrying arms 13, 15 characterized in that the articulation of these support arms 13, 15 to the fixed frame 5 has a rotation axis R1 9. Such a robot greatly facilitates and secures the surgeon's work in complex operations requiring both high precision and continuous availability of the operating field 3.

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de déplacement et de positionnement d'un élément (2) destiné à évoluer dans l'espace dans un champ opératoire (3), du type comprenant au moins trois degrés de liberté en série par rapport à un bâti (5), un ou un ensemble de bras porteurs (13, 15) monté articulé sur le bâti (5) par une de ses parties extrêmes (4) et portant l'élément (2) à son autre partie extrême (6), caractérisé en ce que le bras ou l'ensemble de bras-porteur (13, 15) est monté sur le bâti (5) par une première rotation (R1) autour d'un premier axe (9) orienté vers le champ opératoire (3) et par une translation (T1) d'axe (11) orthogonal à l'axe de rotation (9). 1. A device for moving and positioning an element (2) designed to move in the space in a surgical field (3), of the type comprising at least three degrees of freedom in series with respect to a frame (5), one or a set of support arms (13, 15) pivotally mounted on the frame (5) by one of its end portions (4) and the bearing element (2) at its other end portion (6), characterized in that the arm or the set of carrier arms (13, 15) is mounted on the frame (5) by a first rotation (R1) about a first axis (9) facing the operating field (3) and a translation (T1) whose axis (11) orthogonal to the axis of rotation (9).
2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'axe de translation (11) est perpendiculaire au premier axe de rotation (9). 2. Device according to claim 1 characterized in that the translation axis (11) perpendicular to the first axis of rotation (9).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le premier axe de rotation (9) est orienté selon un axe de symétrie du champ opératoire (3). 3. Device according to one of claims 1 and 2 characterized in that the first axis of rotation (9) is oriented along an axis of symmetry of the surgical drape (3).
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'axe de translation (11) est porté par le premier axe de rotation (9). 4. Device according to one of claims 1 to 3 characterized in that the translation axis (11) is carried by the first axis of rotation (9).
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le bras ou l'ensemble de bras porteurs (13, 15) est monté sur le bâti (5) par une seconde rotation (R2) autour d'un second axe de rotation (14) orthogonal au premier axe de rotation (9). 5. Device according to one of claims 1 to 4 characterized in that the arm or the set of carrier arms (13, 15) is mounted on the frame (5) by a second rotation (R2) about a second axis of rotation (14) orthogonal to the first axis of rotation (9).
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le bras ou l'ensemble de bras porteurs (13, 15) comporte des moyens supports (7) portant l'élément (2), qui sont articulés au bras ou l'ensemble de bras porteur (13, 15) par une rotation (R4) d'axe (18) orthogonal au premier axe de rotation (9). 6. Device according to one of claims 1 to 5 characterized in that the arm or the set of carrier arms (13, 15) comprises support means (7) carrying the element (2), which are articulated to the arm or the set of carrier arms (13, 15) by a rotation (R 4) whose axis (18) orthogonal to the first axis of rotation (9).
7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que les moyens supports (7) comportent un axe de translation (20) de l'élément (2) orthogonal à l'axe de rotation (18). 7. Device according to claim 6 characterized in that the support means (7) comprise a translation axis (20) of the element (2) orthogonal to the axis of rotation (18).
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte un premier bras (13) articulé au bâti (5), et un second bras (15) articulé au premier bras (13) et aux moyens support (7) portant l'élément (2). 8. Device according to one of claims 1 to 7 characterized in that it comprises a first arm (13) articulated to the frame (5) and a second arm (15) articulated to the first arm (13) and support means (7) carrying the element (2).
9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que les deux bras (13, 15) sont articulés entre eux par une rotation (R3) d'axe (16) orthogonal au premier axe de rotation (9). 9. Device according to claim 8, characterized in that the two arms (13, 15) are hinged together by rotating (R3) with an axis (16) orthogonal to the first axis of rotation (9).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les axes de rotation 9, 14, 16 et 18 sont parallèles. 10. Device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the axes of rotation 9, 14, 16 and 18 are parallel.
11. Robot médical, biomédical ou chirurgical, notamment neuro-chirurgical, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 10. 11. medical, biomedical or surgical robot, including neuro-surgical, characterized in that it comprises a device according to one of claims 1 to 10.
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