IT202100002345A1

IT202100002345A1 - ROBOTIC ARM FOR SURGICAL-DENTAL USE

Info

Publication number: IT202100002345A1
Application number: IT102021000002345A
Authority: IT
Inventors: Alessandro Tiberti
Original assignee: Eudonticaerre S R L
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2022-08-03
Also published as: WO2022167902A1

Description

Descrizione dell?invenzione avente per titolo: Description of the invention entitled:

?BRACCIO ROBOTICO PER USO CHIRURGICO-ODONTOIATRICO? ?ROBOTIC ARM FOR SURGICAL-DENTAL USE?

Descrizione Description

Campo della tecnica field of technique

L?invenzione si riferisce all?impiego, nel settore chirurgico-odontoiatrico, delle moderne tecnologie dell?ingegneria e della robotica ricorrendo all?uso di un braccio robotico opportunamente settato ed interfacciato. The invention refers to the use, in the surgical-dental sector, of modern engineering and robotics technologies resorting to the use of a suitably set and interfaced robotic arm.

Arte nota Known art

Allo stato attuale dell?arte, le scienze dell?odontoiatria e della chirurgia, concernono la necessaria presenza dell?odontoiatra o del chirurgo che operano i pazienti manualmente. Sebbene finora la manualit? stessa sia un?importante prerogativa per un ?buon? odontoiatra o un ?buon? chirurgo, tale qualit? non pu? far altro che scemare nel tempo al procedere dell?invecchiamento dell?operatore. Da qui nasce l?esigenza, brillantemente individuata dalla presente invenzione, di sostituire la ?mano? dell?operatore con un braccio robotico, opportunamente settato ed interfacciato, per garantire la massima precisione al mutare delle abilit? manuali dell?operatore. Le privative in materia di robotica si sono maggiormente focalizzate su due aspetti: il primo concerne il riconoscimento di un robot, mentre il secondo riguarda l?implementazione di un metodo per effettuare misurazioni di grandezze di qualsivoglia natura. Il primo aspetto viene affrontato dal brevetto US2020391381, il quale prevede che, in una prima fase, l?identit? del robot sia acquisita a mezzo di almeno un parametro e che tale identit?, in una seconda fase, sia confrontata con un?altra precedentemente inserita e memorizzata. In base alla risposta, data dal confronto tra l?identit? acquisita e quella salvata in un modello precedentemente settato, risulta possibile il controllo del movimento del robot a mezzo di un controller. Ne risulta perci? la capacit? del sistema in toto di individuare una mancata corrispondenza tra il controllore ed il robot. Un brevetto depositato nella Corea del Sud, KR20200137137 ed intitolato ?Distance estimation unit and teaching method of robot arm using the same? presenta e risolve efficacemente la problematica esibita nel secondo aspetto fornendo, in particolare, una misura accurata di distanza. Sul braccio robotico viene implementato un metodo grazie al quale, sfruttando l?impiego di un?unit? automatizzata di rilevamento; risulta semplice impostare il livello di riferimento del robot rispetto al quale si misura la distanza desiderata. ? dunque evidente che le due privative suddette, come anche le altre attualmente in essere a livello nazionale ed internazionale, non siano in grado di risolvere la problematica sollevata dalla richiedente del presente brevetto e brillantemente risolta dall?invenzione di seguito descritta. In the current state of the art, the sciences of dentistry and surgery concern the necessary presence of the dentist or the surgeon who operates on the patients manually. Although so far the manual? itself is an?important prerogative for a ?good? dentist or a ?good? surgeon, such quality? can not? do nothing but decrease over time as the operator ages. Hence the need, brilliantly identified by the present invention, to replace the ?hand? of the operator with a robotic arm, suitably set and interfaced, to ensure maximum precision as the skills change? operator?s manuals. Patent rights in the field of robotics have focused more on two aspects: the first concerns the recognition of a robot, while the second concerns the implementation of a method for carrying out measurements of quantities of any kind. The first aspect is addressed by the patent US2020391381, which provides that, in a first phase, the identity of the robot is acquired by means of at least one parameter and that this identity, in a second phase, is compared with another previously entered and stored. Based on the answer, given by the comparison between the? identity? acquired and the one saved in a previously set model, it is possible to control the movement of the robot by means of a controller. So does it result? the capacity? of the system in its entirety to identify a mismatch between the controller and the robot. A patent filed in South Korea, KR20200137137 and entitled ?Distance estimation unit and teaching method of robot arm using the same? presents and effectively solves the problem presented in the second aspect by providing, in particular, an accurate measure of distance. A method is implemented on the robotic arm thanks to which, exploiting the use of a unit? automated tracking; it is easy to set the reference level of the robot against which the desired distance is measured. ? it is therefore evident that the two aforementioned patent rights, as well as the others currently in existence at national and international level, are unable to resolve the problem raised by the applicant of the present patent and brilliantly resolved by the invention described below.

Scopo del presente brevetto ? quindi quello di risolvere il problema dell?abilit? manuale di operare di un chirurgo o di un odontoiatra, che inevitabilmente non pu? che essere soppiantata dal moderno impiego delle pi? avanzate tecnologie e conoscenze nell?ambito dell?ingegneria applicata alla robotica. Purpose of this patent? then to solve the problem of? ability? operating manual of a surgeon or a dentist, who inevitably cannot? than to be supplanted by the modern use of the pi? advanced technologies and knowledge in the field of engineering applied to robotics.

Descrizione dell?invenzione Description of the invention

Secondo la presente invenzione viene realizzato un braccio robotico per uso chirurgico-odontoiatrico che, a mezzo di un interfacciamento software intuitivo, risolve efficacemente le problematiche suesposte. Detto braccio robotico per uso chirurgico-odontoiatrico risulta vantaggiosamente a sei assi, in modo da garantire qualunque tipologia di moto esso debba compiere nello spazio circostante. Vantaggiosamente il braccio robotico ? affiancato da un?interfaccia software di tipo automatizzato per consentire da remoto la possibilit? di avviare e controllare l?operato del robot. According to the present invention a robotic arm for surgical-dental use is provided which, by means of an intuitive software interface, effectively solves the above problems. Said robotic arm for surgical-dental use advantageously has six axes, so as to ensure any type of motion it has to perform in the surrounding space. Advantageously the robotic arm ? flanked by an?automated software interface to remotely allow the possibility? to start and control the work of the robot.

Il braccio robotico per uso chirurgico-odontoiatrico si compone almeno delle seguenti componenti: The robotic arm for surgical-dental use is made up of at least the following components:

? una base di appoggio connessa con un piano di appoggio, ed atta a stabilizzare, tramite una giunzione fissa di terra, l?intero braccio robotico, conferendo sia sostegno che contenimento degli effetti dovuti alle rotazioni della sovrastante struttura; ? a support base connected to a support plane, and adapted to stabilize the entire robotic arm by means of a fixed earth connection, providing both support and containment of the effects due to the rotations of the overlying structure;

? una spalla, sovrastante detta base di appoggio, ed atta a permettere una rotazione, per mezzo di una giunzione mobile, attorno ad un piano di connessione tra detta spalla e detta base di appoggio; ? a shoulder, overlying said support base, and adapted to allow rotation, by means of a movable joint, around a connection plane between said shoulder and said support base;

? un braccio, atto a produrre plurime rotazioni grazie sia ad una giunzione, congiungente detta spalla con detto braccio, che ad un?ulteriore giunzione, permettendo una rotazione tra detto braccio ed un gomito; ? an arm, capable of producing multiple rotations thanks both to a joint, joining said shoulder with said arm, and to a further joint, allowing a rotation between said arm and an elbow;

? detto gomito, atto a connettere detto braccio con un avambraccio; ? said elbow, adapted to connect said arm with a forearm;

? detto avambraccio, ? connesso con detto gomito, tramite una giunzione, e con un polso; ? said forearm, ? connected with said elbow, via a joint, and with a wrist;

? detto polso, atto a connettere, a mezzo di una giunzione, detto avambraccio con una mano; ? said wrist, adapted to connect, by means of a joint, said forearm with a hand;

? detta mano, atta al supporto ed alla rotazione di una tenaglia reversibilmente impegnabile ed intercambiabile con ulteriori tenaglie, ciascuna delle quali avente forma diversa e presa a tenaglia, atta ad impegnarsi con qualsivoglia strumento chirurgico-odontoiatrico. ? said hand, able to support and rotate a pincer that can be reversibly engaged and interchangeable with further pincers, each of which having a different shape and gripping like a pincer, suitable for engaging with any surgical-dental instrument.

Tra in numerosi vantaggi della presente invenzione, si sottolinea come l?operatore sia libero di intervenire, prima di mandare in esecuzione le procedure necessarie sui pazienti, sia direttamente sulla capacit? clinica del robot, secondo un procedimento di calibrazione manuale del braccio robotico stesso, sia indirettamente optando per una calibrazione di tipo automatico. La calibrazione di tipo manuale consente, in prima battuta all?operatore di risolvere possibili errori non trascurabili di settaggio meccanico in fase di avvio, sorti in fase di realizzazione del braccio robotico. In seconda battuta, invece, consente di salvare le posizioni relative in modo che i successivi avviamenti risultino pi? celeri. Il software non ? un mezzo che circoscrive la propria funzione ad una mera interfaccia grafica, infatti, oltre alle posizioni di avvio gi? citate, ? in grado di salvare anche intere procedure e di accedere o creare ex novo un insieme di valutazioni cliniche proprie di chirurghi ed odontoiatri in specifici processi operativi. Among the numerous advantages of the present invention, it is underlined how the operator is free to intervene, before executing the necessary procedures on the patients, both directly on the ability clinic of the robot, according to a manual calibration procedure of the robotic arm itself, and indirectly by opting for an automatic calibration. The manual calibration allows, in the first instance, the operator to solve possible non-negligible mechanical setting errors during the start-up phase, which arose during the construction phase of the robotic arm. Secondly, however, it allows you to save the relative positions so that subsequent starts are more? quick. Isn't the software? a medium that limits its function to a mere graphical interface, in fact, in addition to the starting positions already? quoted, ? able to save even entire procedures and to access or create from scratch a set of clinical evaluations of surgeons and dentists in specific operational processes.

Vantaggiosamente, l?operatore pu? ricorrere all?impiego di un joystick per muovere pi? sensibilmente, a proprio piacimento, gli assi di riferimento del moto di ogni singola parte del braccio meccanico. Vantaggiosamente, per la salvaguardia del paziente, nel software sono previsti diversi criteri di stop del braccio in caso di emergenza. Tali criteri possono spaziare dall?impiego di un comando vocale per mezzo di un microfono, o di un altoparlante, posto in una stazione di comando ad un comando a pressione rappresentato fisicamente da un pulsante, di dimensioni tali da renderlo sufficientemente visibile. In sede di stazione di comando, l?operatore ? libero di sostituire od integrare il software con alcune espressioni verbali che considera pi? idonee all?arresto repentino del braccio meccanico. Advantageously, the operator can? resort to the use of a joystick to move more? sensitively, at will, the reference axes of the motion of each single part of the mechanical arm. Advantageously, for the protection of the patient, various arm stop criteria are foreseen in the software in case of emergency. These criteria can range from the use of a voice command by means of a microphone or loudspeaker placed in a command station to a pressure command physically represented by a button, of such dimensions as to make it sufficiently visible. At the command station, the operator? free to replace or integrate the software with some verbal expressions that it considers more? suitable for the sudden stop of the mechanical arm.

Agli aspetti finora analizzati non pu? non aggiungersi l?eccelso livello di accuratezza relativo all?operativit? che un braccio meccanico ? in grado di esibire costantemente nel tempo. Tale aspetto, seppur di banale comprensione, comporter? uno sviluppo sensazionale delle attuali tecnologie in campo odontoiatrico rendendole ?moderne? e pronte per l?impiego in un prossimo futuro. Basti pensare, in materia di implantologia o di procedura computer guidata con frese rotanti, alla pi? agevole metodologia, implementata per via numerica nel software del braccio, per l?individuazione delle coordinate del foro per il posizionamento della fixture, o impianto, che facilitano inoltre il posizionamento del tip del laser ad erbio per la scopertura dell?impianto. Un altro esempio calzante riguarda, questa volta in materia di odontoiatria conservativa, l?individuazione tramite focus cam e CT 100x50 di carie, cui la procedura di otturazione ? efficientemente implementata in un box specifico. Aspects so far analyzed can not? do not add the? excellent level of accuracy related to? operation? what a mechanical arm? able to exhibit consistently over time. This aspect, albeit trivial to understand, will lead? a sensational development of current dental technologies making them ?modern? and ready for use in the near future. Just think, in the field of implantology or computer guided procedure with rotary burs, the most? easy methodology, implemented numerically in the arm software, for identifying the coordinates of the hole for positioning the fixture, or implant, which also facilitate the positioning of the erbium laser tip for uncovering the implant. Another case in point concerns, this time in the field of conservative dentistry, the identification of caries via focus cam and CT 100x50, for which the filling procedure is? efficiently implemented in a specific box.

I vantaggi offerti dalla presente invenzione sono evidenti alla luce della descrizione fin qui esposta e saranno ancora pi? chiari grazie alle figure annesse e alla relativa descrizione dettagliata. The advantages offered by the present invention are evident in the light of the description set forth up to now and will be even more clear thanks to the annexed figures and the relative detailed description.

Descrizione delle figure Description of the figures

L?invenzione verr? qui di seguito descritta in almeno una forma di realizzazione preferita a titolo esplicativo e non limitativo con l?ausilio delle figure annesse, nelle quali: The invention will come described hereinafter in at least one preferred embodiment by way of explanation and not of limitation with the aid of the accompanying figures, in which:

- FIGURA 1 mostra la struttura prospettica del braccio robotico 1.1. - FIGURE 1 shows the perspective structure of the robotic arm 1.1.

- FIGURA 2 illustra le giunzioni meccaniche relative al braccio robotico 1.1. - FIGURA 3a mostra la vista tridimensionale di una tenaglia 8 in configurazione a pinza. - FIGURE 2 illustrates the mechanical joints related to the robotic arm 1.1. - FIGURE 3a shows the three-dimensional view of a pincer 8 in a gripper configuration.

- FIGURA 3b rappresenta in pianta la tenaglia 8 in configurazione a pinza. FIGURE 3b is a plan view of the pincer 8 in pincer configuration.

- FIGURA 4a illustra la vista tridimensionale della tenaglia 8 in configurazione a falange. - FIGURE 4a illustrates the three-dimensional view of the pincer 8 in a phalanx configuration.

- FIGURA 4b mostra in pianta una tenaglia 8 in configurazione a falange nella sua massima divaricazione delle falangi 32. - FIGURE 4b shows in plan view a pincer 8 in a phalanx configuration in its maximum divarication of the phalanges 32.

- FIGURA 4c rappresenta in pianta la tenaglia 8 in configurazione a falange nella sua minima divaricazione di dette falangi 32. - FIGURE 4c shows in plan view the pincer 8 in a phalanx configuration in its minimum divarication of said phalanges 32.

- FIGURA 5 illustra una stazione di comando 100. - FIGURE 5 illustrates a command station 100.

Descrizione dettagliata dell?invenzione Detailed description of the invention

La presente invenzione verr? ora illustrata a titolo puramente esemplificativo ma non limitativo o vincolante, ricorrendo alle figure le quali illustrano alcune realizzazioni relativamente al presente concetto inventivo. This invention will come now illustrated purely by way of example but not in a limiting or binding way, making use of the figures which illustrate some embodiments with respect to the present inventive concept.

In riferimento alle FIGG. 3a, 3b, 4a, 4b e 4c vengono presentate due diverse geometrie di tenaglie 8 a seconda della necessit? di far impugnare a detto braccio robotico 1.1 strumenti odontoiatrici di piccolo o medio calibro. Infatti, le tenaglie 8, sebbene condividano la presenza di un corpo centrale bullonato, terminano la propria presa, in un caso tramite una pinza 31 e nell?altro con due falangi 32. I bracci di detta pinza 31 presentano un?apertura variabile compresa tra 0 e 60 mm, in base alla necessit? di una presa ampia o stretta. With reference to FIGS. 3a, 3b, 4a, 4b and 4c two different geometries of pincers 8 are presented according to the need? to make said robotic arm grip 1.1 dental instruments of small or medium caliber. In fact, the pincers 8, although they share the presence of a bolted central body, finish their grip, in one case by means of a pincer 31 and in the other with two phalanxes 32. The arms of said pincer 31 have a variable opening between 0 and 60 mm, according to the need? of a wide or narrow grip.

Detti bracci corrono paralleli tra loro e si sviluppano perpendicolarmente al corpo bullonato centrale, favorendo cos? l?impugnatura di strumenti di media grandezza. These arms run parallel to each other and develop perpendicularly to the central bolted body, thus favoring the grip of medium-sized tools.

All?opposto, per l?impugnatura di strumenti odontoiatrici di piccolo calibro, risulta pi? adatta la presa di una tenaglia 8 che ha un ordine di bracci divergenti da detto corpo centrale bullonato seguito da una coppia di falangi 32. Le falangi 32 risultano connesse con detto ordine di bracci divergenti tramite coppie di viti. In riferimento alla coppia pi? esterna di dette viti, viene misurata un?apertura variabile tra 0 e 90 mm. On the contrary, for the grip of small caliber dental instruments, it is more? suitable for gripping a pincer 8 which has an array of arms diverging from said bolted central body followed by a pair of phalanxes 32. The phalanxes 32 are connected to said array of diverging arms by means of pairs of screws. In reference to the couple pi? outside of these screws, a variable opening between 0 and 90 mm is measured.

Con riferimento alla FIG. 5, il controllo di detto braccio robotico 1.1 avviene in un ambiente diverso rispetto alla posizione del braccio stesso denominato: ?stazione di comando 100?. Detta stazione di comando 100 comprende almeno i seguenti componenti: Referring to FIG. 5, the control of said robotic arm 1.1 takes place in a different environment with respect to the position of the arm itself called: ?control station 100?. Said control station 100 comprises at least the following components:

? un microfono 101, atto a inviare un comando vocale di avvio o di stop di detto braccio robotico 1.1; ? a microphone 101, able to send a voice command to start or stop said robotic arm 1.1;

? un display di comando 102, atto alla visualizzazione ed impostazione, per il controllo da remoto, dei movimenti di detto braccio robotico 1.1; ? a control display 102, suitable for displaying and setting, for remote control, the movements of said robotic arm 1.1;

? almeno un modem wifi 103, atto a consentire il collegamento tra detto display di comando 102 e detto braccio robotico 1.1; ? at least one wifi modem 103, able to allow the connection between said control display 102 and said robotic arm 1.1;

? almeno un sistema di cablaggi 104, atto a consentire il collegamento tra detto display di comando 102 e detto braccio robotico 1.1 fornendo una alternativa, in caso di guasto, al collegamento wifi; ? at least one wiring system 104, able to allow the connection between said control display 102 and said robotic arm 1.1 providing an alternative, in case of failure, to the wifi connection;

? un tasto di emergenza 105, atto ad arrestare repentinamente qualunque attivit? in corso svolta da detto braccio robotico 1.1. ? an emergency button 105, able to suddenly stop any activity? in progress carried out by said robotic arm 1.1.

? infine chiaro che all?invenzione fin qui descritta possono essere apportate modifiche, aggiunte o varianti ovvie per un tecnico del ramo, senza per questo fuoriuscire dall?ambito di tutela che ? fornito dalle rivendicazioni annesse. ? finally, it is clear that modifications, additions or variations that are obvious to a person skilled in the art can be made to the invention described up to now, without thereby departing from the scope of protection which ? provided by the appended claims.

Claims

1. Robotic arm (1.1) for surgical-dental use, characterized in that it comprises at least the following components:

? a support base (1) connected to a support plane (80) and able to stabilize, through a fixed earth joint (800), the entire robotic arm (1.1), providing both support and containment of the effects due to rotations of the overlying structure;

? a shoulder (2), overlying said support base (1), and able to allow rotation, by means of a movable joint (801), around a connection plane between said shoulder (2) and said support base ( 1);

? an arm (3), capable of producing multiple rotations thanks both to a joint (802), joining said shoulder (2) with said arm (3), and to a further joint (803), allowing a rotation between said arm ( 3) and an elbow (4);

? said elbow (4), able to connect said arm (3) with a forearm (5);

? said forearm (5), ? connected with said elbow (4), via a joint (804), and with a wrist (6);

? said wrist (6), able to connect, by means of a joint (805), said forearm (5) with a hand (7);

? said hand (7), able to support and rotate a pincer (8) reversibly engageable and interchangeable with further pincers (8), each of which having a different shape and a pincer grip, suitable for engaging with any surgical-dental instrument; said robotic arm (1.1) being of the six-axis type, so as to cope with any type of movement required by the operator;

said robotic arm (1.1) being connected to a software interface capable of:

- allowing the operator to remotely control said robotic arm (1.1);

- develop the implantology specifications, providing the operator with the data necessary to start the required procedures;

- stop the motion, or the procedures in progress, of said robotic arm (1.1), by means of a voice command by means of a microphone (101) capable of recording and saving in the memory the vocal expressions preferred by the operator to suddenly stop any operation ;

- stopping the motion or the procedures in progress of said robotic arm (1.1), by means of a pressure command, such as a button of any colour; - saving new positions and starting and procedural sequences of entire dental operations of said robotic arm (1.1);

- perform a default automatic calibration of said robotic arm (1.1) both when starting up said robotic arm (1.1) and at the start of each new procedure;

- perform a manual calibration, thanks to which the operator can? immediately notice any positioning errors that arose during the construction phase of said robotic arm (1.1).

2. Robotic arm (1.1) for surgical-dental use, according to the previous claim, characterized in that it is connected to said software interface which allows, by means of a joystick, the movement of the reference axes of said robotic arm (1.1) to effectively regulate the correct surgical dynamics.

3. Robotic arm (1.1) for surgical-dental use, according to any one of the preceding claims 1 or 2, characterized in that said hand (7) ? connected said pincer (8), consisting of a central bolted body near? of said hand (7) and by a solid grip through a gripper (31), suitable for supporting and moving medium-sized dental instruments.

4. Robotic arm (1.1) for surgical-dental use, according to the preceding claim 3, characterized in that said gripper (31) has a variable opening of the arms between 0 and 60 mm, said gripper (31) being formed by two arms running perpendicularly starting from said central bolted body.

5. Robotic arm (1.1) for surgical-dental use, according to the preceding claim 1, characterized in that said hand (7) ? connected said pincer (8), consisting of said central body bolted near? of said hand (7) and by a socket, also bolted, comprising a first symmetrical order of arms formed by a pair of phalanxes (32), suitable for improving the grip of small caliber dental instruments.

6. Robotic arm (1.1) for surgical-dental use, according to the preceding claim 4, characterized in that said phalanges (32) have an opening which varies between 0 and 90 mm.

7. Robotic arm (1.1) for surgical-dental use, according to any one of the preceding claims, characterized in that it is connected to a control station (100) comprising at least the following components:

? said microphone (101), able to send a voice command to start or stop said robotic arm (1.1);

? a control display (102), suitable for displaying and setting, for remote control, the movements of said robotic arm (1.1);

? at least one wifi modem (103), able to allow connection between said control display (102) and said robotic arm (1.1);

? at least one wiring system (104), able to allow the connection between said control display (102) and said robotic arm (1.1) providing an alternative, in case of failure, to the wifi connection;

? an emergency button (105), able to suddenly stop any activity? being carried out by said robotic arm (1.1).