ITCS20060007A1

ITCS20060007A1 - ADDITIONAL CHANGES TO THE MEASUREMENT EQUIPMENT WITH INTERCONNECTED ARMS THAT CAN TRANSFORM TO A POSITIONING ROBOT.

Info

Publication number: ITCS20060007A1
Authority: IT
Inventors: Guido A Danieli
Original assignee: Calabrian High Tech Srl
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2006-07-19

Description

DESCRIZIONE DELLTNVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO: DESCRIPTION OF THE INDUSTRIAL INVENTION TITLE:

Ulteriori modifiche alla apparecchiatura di misura a bracci interconnessi in grado di trasformarsi in Robot di posizionamento Further modifications to the measuring equipment with interconnected arms capable of transforming into positioning robots

Descrizione generale del campo di intervento dell’ invenzione. General description of the field of intervention of the invention.

La necessità di ridurre l'irraggiamento del personale medico e paramedico durante le operazioni ortopediche ha indotto diverse società a proporre dei sistemi di "navigazione" che consentono di visualizzare in realtà virtuale la posizione di strumenti rispetto alla struttura corporea del paziente, sulla base di immagini radiografiche o di TAC iniziali. Tuttavia tali sistemi, particolarmente adatti al campo ortopedico, se da una parte consentono al medico la visualizzazione del campo operatorio, magari indirizzandolo segnalando sullo schermo le operazioni da compiere, dall'altra non forniscono alcun supporto fìsico al medico, che deve comunque operare a mano libera per raggiungere gli obiettivi. E ciò può essere estremamente difficoltoso, dato che si tratta in ogni caso di posizionare gli strumenti in modo corretto aggiustando contemporaneamente i sei gradi di libertà di un oggetto nello spazio. A rimediare a tale situazione sono allora stati proposti robot operatori, che, sulla base di un preplanning operatorio, sostituiscono il medico operando i tagli necessari, ad esempio, ad installare una protesi. Ora è parere dell'autore del presente brevetto che il medico non debba mai essere sostituito da una macchina. Una cosa è suggerire, altra è operare. Solo il medico infatti può avere l'esperienza e la sensibilità di comprendere se una data operazione, pianificata preoperativamente sulla base delle immagini, sia effettivamente da compiere. Donde l'idea di sviluppare una nuova apparecchiatura che riunisca le due caratteristiche di navigatore e di rq|>ot, trasformandosi dall'uno all'altro su richiesta del medico. Mentre però nella domanda PCT/IT03/00322 del 27/05/2003, pubblicata dal WIPO il 4 dicembre 2003, poi trasformata in domanda di brevetto Europa EP03730474.8 e nel successivo PCT/IT05/000487 del 08/08/2005, pubblicato da) WIPO il 16 Febbraio 2006, ambedue derivanti da brevetti italiani, si faceva riferìmento a vari sistemi in grado di compensare la forza peso agente sui bracci sospesi a valle della cerniera stessa, onde ridurre al minimo gli errori indotti dalla fisicità della catena stessa, proponendo anche di effettuare le transizioni dall’uno all’altro modo attraverso Γ inserimento/distacco di un sistema di dentature frontali o di opportuni sistemi frenanti, nella presente domanda vengono inserite due importanti novità. Innanzi tutto la catena cinematica autobilanciata presenta due nuove possibili strutture, derivata da un compromesso tra le due precedenti, in modo da poter utilizzare solo giunti rotoidali, senza che vi sia trasmissione attiva di coppia attraverso le cerniere, lasciate libere, connettendole ai motori solo quando devono funzionare in modo Robot o bloccandole su richiesta. In una prima versione, il primo vincolo è ora nuovamente una cerniera ad asse verticale, mentre il secondo presenta un asse orizzontale, come nella prima catena cinematica proposta nel primo PCT sopra citato. Tuttavia il secondo vincolo presenta una struttura a doppio parallelogrammo articolato, di cui quello anteriore è dedicato a supportare il resto della catena cinematica, mentre quello posteriore sostiene un peso atto a bilanciare esattamente il peso del cinematismo sospeso anteriormente (mentre le variazioni di momento applicato derivanti dalle variazioni di sbraccio sono assorbite dalla struttura). E da questo punto in poi la struttura diventa identica a quello della seconda catena cinematica proposta. Si noti che quindi la struttura è un misto tra struttura seriale e parallela. In tal modo si ottiene una configurazione simile allo SCARA, in cui lo spostamento verticale è permesso dal secondo link, che, diviso in due e grazie al parallelogrammo interno, riesce appunto a consentire tali movimenti. L’altra possibile catena cinematica presenta l’inversione tra i due primi vincoli, nel senso che il primo è costituito dal parallelogrammo ed il secondo dalla cerniera ad asse verticale. The need to reduce the irradiation of medical and paramedical staff during orthopedic operations has led several companies to propose "navigation" systems that allow you to view the position of instruments with respect to the patient's body structure in virtual reality, based on images X-rays or initial CT scans. However, these systems, particularly suitable for the orthopedic field, if on the one hand they allow the doctor to view the operating field, perhaps directing him by signaling the operations to be performed on the screen, on the other hand they do not provide any physical support to the doctor, who must still operate by hand. free to achieve goals. And this can be extremely difficult, since in any case it is a question of positioning the instruments correctly by simultaneously adjusting the six degrees of freedom of an object in space. To remedy this situation, operating robots have been proposed, which, on the basis of an operative preplanning, replace the doctor by making the necessary cuts, for example, to install a prosthesis. It is now the opinion of the author of the present patent that the doctor should never be replaced by a machine. It is one thing to suggest, another to operate. In fact, only the doctor can have the experience and the sensitivity to understand if a given operation, planned preoperatively on the basis of the images, is actually to be performed. Hence the idea of developing a new device that combines the two characteristics of navigator and rq |> ot, transforming from one to the other at the request of the doctor. However, in the application PCT / IT03 / 00322 of 27/05/2003, published by WIPO on 4 December 2003, then transformed into the European patent application EP03730474.8 and in the subsequent PCT / IT05 / 000487 of 08/08/2005, published da) WIPO on February 16, 2006, both deriving from Italian patents, referred to various systems capable of compensating for the weight force acting on the arms suspended downstream of the hinge itself, in order to minimize the errors induced by the physicality of the chain itself, proposing also to effect the transitions from one to the other mode through the insertion / detachment of a front toothing system or of suitable braking systems, two important innovations are included in the present application. First of all, the self-balancing kinematic chain presents two new possible structures, derived from a compromise between the previous two, so that only rotational joints can be used, without active torque transmission through the hinges, left free, connecting them to the motors only when they must work in Robot mode or blocking them on request. In a first version, the first constraint is now again a hinge with a vertical axis, while the second has a horizontal axis, as in the first kinematic chain proposed in the first PCT mentioned above. However, the second constraint has a double articulated parallelogram structure, of which the front one is dedicated to supporting the rest of the kinematic chain, while the rear one supports a weight able to exactly balance the weight of the kinematic mechanism suspended in front (while the variations of applied moment derive variations in outreach are absorbed by the structure). And from this point on, the structure becomes identical to that of the second proposed kinematic chain. Note that therefore the structure is a mixture of serial and parallel structure. In this way a configuration similar to the SCARA is obtained, in which the vertical displacement is allowed by the second link, which, divided in two and thanks to the internal parallelogram, manages to allow such movements. The other possible kinematic chain presents the inversion between the first two constraints, in the sense that the first is constituted by the parallelogram and the second by the vertical axis hinge.

L’altra modifica sostanziale consiste nell’aver munito gli end effector di sensori di forza triassiali, in modo da poter filevare gli sforzi applicati ad un braccio quando questo si trova in situazione di bloccaggio, il che può essere utile sia per misurare, attraverso l’applicazione di sollecitazioni sugli arti del paziente, collegati fremite fiches ai bracci estremi la deformazione sotto sforzo dei legamenti, determinandone quindi la necessità o meno di eliminarli per sostituirli con una opportuna protesi, o per controllare gli sforzi esercitati dal medico durante le operazioni, in modo da avvertirlo se questi eccedono certi valori, che potrebbero condurre ad un errato posizionamento delle protesi. Per quanto riguarda il resto della struttura, rimangono tutte le caratteristiche previste dal PCT/IT05/000487. The other substantial modification consists in having equipped the end effectors with triaxial force sensors, so as to be able to file the forces applied to an arm when it is in a locked situation, which can be useful both for measuring, through the '' application of stresses on the patient's limbs, connected to the extreme arms, the strain deformation of the ligaments under stress, thus determining the need or not to eliminate them to replace them with an appropriate prosthesis, or to control the efforts exerted by the doctor during operations, in so as to warn him if these exceed certain values, which could lead to incorrect positioning of the prostheses. As regards the rest of the structure, all the characteristics provided for by the PCT / IT05 / 000487 remain.

Descrizione della realizzazione preferita. Description of the preferred embodiment.

La realizzazione preferita di un Navi-Robot è costituita da almeno una catena cinematica a sei gradi di libertà, di cui una presenti, oltre ai misuratori angolari, anche i freni di bloccaggio e quelli per passare in modo robot, già descrìtti nel secondo dei PCT citati, anche se il motore di azionamento viene preferìbilmente posto all’ esterno, in modo da contenere le dimensioni del freno stesso. In particolare la Tavola 1 mostra Tultima edizione del freno stesso, in cui il leveraggio di azionamento è posto sotto alle ganasce, sempre azionate da camme solidali al leveraggio stesso, a loro volta azionate da un elemento sottostante (non visibile in figura) movimentato da una vite senza fine. The preferred embodiment of a Navi-Robot consists of at least one kinematic chain with six degrees of freedom, one of which has, in addition to the angle gauges, also the locking brakes and those for passing in robot mode, already described in the second of the PCTs. mentioned, even if the driving motor is preferably placed outside, so as to contain the dimensions of the brake itself. In particular, Table 1 shows the latest edition of the brake itself, in which the operating lever is placed under the jaws, always operated by cams integral with the lever itself, in turn activated by an underlying element (not visible in the figure) moved by a worm.

La Tavola 2 mostra poi una singola catena cinematica a sei gradi di libertà, in cui sono segnati sette link (di cui i primi tre sono segnati due volte, per far comprendere come elementi apparentemente separati facciano in realtà parte dello stesso membro) e tre link ausiliari (8, 9 e 10), che completano il quadrilatero articolato, insieme ai Joint ausiliari 7, 8, 9, 10 e 11. Si noti in particolare che i link ausiliari 8 e 9 potrebbero teoricamente essere sostituiti da un solo link, ma per evitare possibili iperstaticità dovuti ad imperfetta realizzazione dei link, si è preferita questa soluzione. Parimenti le cerniere ausiliarìe da 8 a 10 sono senza spallamenti in modo da lasciare che il sistema mantenga il suo grado di libertà anche qualora non fosse realizzata una perfetta planarìtà del meccanismo, eventualmente inserendo una ulteriore cerniera ortogonale lungo il link ausiliario 8. La tavola 3 mostra poi la seconda configurazione possibile. Si noti che le due configurazioni sono similari, ma vengono utilizzate in alternativa a seconda dello spazio disponi bile, necessitando la prima più spazio posteriore dato il possibile “sbandieramento” del contrappeso. Table 2 then shows a single kinematic chain with six degrees of freedom, in which seven links are marked (of which the first three are marked twice, to make it clear how apparently separate elements are actually part of the same member) and three links auxiliary joints (8, 9 and 10), which complete the articulated quadrilateral, together with the auxiliary joints 7, 8, 9, 10 and 11. Note in particular that the auxiliary links 8 and 9 could theoretically be replaced by a single link, but to avoid possible hyperstaticities due to imperfect link creation, this solution was preferred. Likewise, the auxiliary hinges 8 to 10 are without shoulders so as to allow the system to maintain its degree of freedom even if a perfect flatness of the mechanism is not achieved, possibly by inserting an additional orthogonal hinge along the auxiliary link 8. Table 3 then shows the second possible configuration. Note that the two configurations are similar, but are used alternatively depending on the space available, the first requiring more rear space given the possible “waving” of the counterweight.

Sempre con riferimento alla Tavola 2 si noti anche che il doppio quadrilatero è fiuto in modo che il baricentro del sistema (comprendente anche braccio e contrappeso), ed il cui elemento di bilanciamento è il link 2, sia inferiore all’asse del joint 2, in modo da permettere la stabilizzazione del sistema anche in presenza di piccoli sbilanciamenti. Again with reference to Table 2 it should also be noted that the double quadrilateral is nosed so that the center of gravity of the system (also including arm and counterweight), and whose balancing element is link 2, is lower than the axis of joint 2, in order to allow the stabilization of the system even in the presence of small imbalances.

Sempre con riferimento alle stesse tavole, si notino sul link 7 gli elementi segnati in nero, che rappresentano gli estensimetri posti su di esso per misurare gli sforzi applicati. Si noti anche che nel disegno gli elementi contigui sono sempre segnati con tinte di grigio differenti, in modo da evidenziarne la differenza. Infine sul link 7 è applicato l’end effector intermedio, pienamente sterìlizzabile, cui possono essere applicati in modo univoco i vari terminali, come la mascherina di perforazione (a), o quelle di taglio (b e c) oppure il puntale (d). Non rappresentata è poi uno speciale puntale che permette di collegare contemporaneamente i tre bracci del Navi-Robot in modo da permetterne la contemporanea calibrazione. Again with reference to the same tables, note on link 7 the elements marked in black, which represent the strain gauges placed on it to measure the applied stresses. Also note that in the drawing the contiguous elements are always marked with different shades of gray, in order to highlight the difference. Finally, the intermediate end effector is applied to link 7, fully sterilizable, to which the various terminals can be applied uniquely, such as the drilling template (a), or the cutting templates (b and c) or the tip (d). Not shown is a special tip that allows you to connect the three arms of the Navi-Robot at the same time in order to allow simultaneous calibration.

Poiché si è fatto esplicito riferimento al PCT di recente pubblicazione dal WIPO, si ritiene di non ripetere le rivendicazioni di questo, che rimangono integralmente valide, mentre nel presente caso ci si limiterà a rivendicare quanto è nuovo rispetto a quanto precedentemente depositato. Since explicit reference has been made to the PCT recently published by WIPO, it is considered not to repeat the claims of this, which remain fully valid, while in the present case we will limit ourselves to claiming what is new with respect to what was previously filed.

Claims

Claims. 1) Navigator - Active or passive self-balancing robot with one or more arms, of which at least one characterized by the presence of five or six degrees of freedom, capable of being moved passively or transforming on command into an active robot, possibly also in able to lock in any configuration, consisting of a mobile base on wheels that can be fixed to the floor, a certain number of hinges or measuring prismatic constraints, free but lockable by means of a brake system so that the constraints themselves can be moved by motors, being the constraints connected by mechanical arms, in which vertical movement and balancing are ensured by a double parallelogram.

2) Navigator-Robot with eighteen degrees of freedom, essentially consisting of three arms each with six degrees of freedom as per claim 1, of which two are exclusively measuring, while the central one is the active / passive one, whose bases are mutually fixed , in order to allow the measurement of the relative position between two self-balancing ends, and the locking upon request of all degrees of freedom, since the system is able to measure the relative position between the operating template connected to the end of the Robot / central measurer, and patient's body, connected to the other ends of the measuring system.

3) Navigator-Robot as per claim 1, on whose end effectors strain gauges are mounted so as to measure the forces applied to them from the east when the locking brakes are locked.

4) Navigator-Robot as per claim 1, applied to any branch of medicine or technique in general.