ITFI20100075A1 - Apparato robotico per interventi di chirurgia minimamente invasiva - Google Patents

Description

APPARATO ROBOTICO PER INTERVENTI DI CHIRURGIA MINIMAMENTE

INVASIVA

DESCRIZIONE

Settore dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un apparato robotico per interventi di chirurgia minimamente invasiva (nel seguito detta per semplicità miniinvasiva), in particolar modo di laparoscopia.

Stato dell’arte

Nelle procedure di chirurgia tradizionale, o a cielo aperto, il chirurgo pratica un’incisione generalmente molto estesa. Fatto ciò, il chirurgo interviene sulla parte d’interesse manualmente o tramite strumenti ad azionamento manuale. Si hanno dunque i seguenti vantaggi per il chirurgo:

- visione stereoscopica - e quindi percezione delle distanze relative -grazie alla visione diretta tra gli occhi del chirurgo stesso e lo scenario operatorio;

- ritorno di forza e sensazione tattile naturali, dato che il chirurgo usa le proprie mani per esercitare forze sul tessuto in modo diretto o al più mediato da un singolo strumento.

L’aspetto negativo più rilevante della chirurgia tradizionale à ̈ legato all’alta invasività della procedura, che implica lunghi tempi di degenza.

Nella chirurgia addominale, un significativo miglioramento in termini di minor invasività si à ̈ avuto con l’introduzione delle tecniche laparoscopiche. In questo caso si praticano dalle tre alle cinque piccole incisioni (tipicamente da 3 mm o 5 mm, talvolta da 8 mm) nel corpo del paziente e, dopo aver insufflato la cavità addominale, si procede con l’intervento chirurgico. Tipicamente, una incisione viene usata per il passaggio della telecamera, mentre dalle altre entrano strumenti operatori o di assistenza. Gli strumenti operatori per laparoscopia vengono fatti passare attraverso un corpo tubolare di supporto inserito transcutaneamente nell’incisione e detto trocar, il quale realizza una cosiddetta “porta†addominale.

Dal punto di vista del chirurgo, la procedura laparoscopica risulta molto più complessa rispetto alla chirurgia tradizionale per i seguenti motivi:

- il campo di vista e la qualità della visione sono ridotti, in quanto generalmente si usa una telecamera bidimensionale e si viene quindi a perdere la stereoscopia e la relativa percezione della distanza, tipica della chirurgia tradizionale; - il movimento dello strumento chirurgico à ̈ invertito rispetto alla mano del chirurgo, a causa dell’effetto fulcro tipico degli strumenti per laparoscopia;

- il feedback di forza à ̈ distorto dalla presenza del trocar;

- la destrezza dello strumento à ̈ fortemente limitata a pochi gradi di libertà. D’altro canto, grazie alla ridotta invasività delle procedure laparoscopiche il tempo di degenza à ̈ fortemente ridotto.

Alcuni dei sopra esposti svantaggi della laparoscopia sono superati dal sistema cosiddetto “Da Vinci†(H. Palep: Robotic assisted minimally invasive surgery, in Journal of Minimal Access Surgery, vol. 5, issue 1, 2009), unico esempio disponibile sul mercato di piattaforma robotica per chirurgia laparoscopica. Tale piattaforma à ̈ costituita da due parti principali, e precisamente una console di controllo “master†, dove il chirurgo ha la possibilità di vedere lo scenario operatorio su un display tridimensionale e di tele-operare quattro bracci robotici, ed un sistema robotico “slave†, costituito dai suddetti bracci robotici (tre da 8 mm di diametro per strumenti laparoscopici ed uno da 12 mm di diametro per il sistema di visione stereoscopico). Ai quatto fori per i suddetti strumenti, si deve aggiungere un foro addizionale per il passaggio di strumentazione di supporto alla procedura chirurgica (ad esempio spugne, ago e filo da sutura, pinzette emostatiche, etc.).

I principali vantaggi introdotti dal sistema Da Vinci rispetto alle procedure laparoscopiche tradizionali consistono in:

- visione stereoscopica, quindi migliore percezione delle distanze;

- controllo intuitivo, in quanto grazie all’approccio robotico si compensa l’effetto fulcro tipico degli strumenti laparoscopici;

- scaling dello spazio di lavoro, grazie al quale ad un movimento ampio della mano del chirurgo sul master equivale un movimento piccolo, ma altamente preciso, dello strumento robotizzato;

- destrezza comparabile alla mano del chirurgo, grazie ai sette gradi di libertà tipici di ciascun braccio operativo del Da Vinci.

E’ altresì vero che il Da Vinci presenta ancora diversi limiti che lo rendono indicato solo per procedure altamente selezionate e particolari. Tra tali limiti ricordiamo:

- alto costo;

- lunghi tempi di preparazione;

- ingombro dei bracci robotici esterni;

- incremento dell’invasività rispetto a procedure di laparoscopia (totale di cinque fori, con un foro da 12 mm, tre fori da 8 mm e un foro da 5 mm);

- mancanza di un feedback di forza (che non può essere ottenuto dall’informazione della corrente nei motori in quanto, a causa dell’attuazione esterna a cavi, essa non si può considerare proporzionale alla forza esercitata dall’end effector).

Un approccio alternativo molto promettente sembra essere quello della cosiddetta Robotic NOTES (Natural Orifice Transluminal Surgery). Tale approccio à ̈ attivo al momento solo a livello di ricerca (D. Oleynikov, M. Rentschler, A. Hadzialic, J. Dumpert, S.R. Platt, S. Farrito: Miniature robots can assist in laparoscopic cholecystectomy, Surg Endosc., vol.19, pp.473–476, DOI: 10.1007/s00464-004-8918-6, 2005). In questo caso un mini-robot “auto-sufficiente†viene introdotto nel corpo del paziente attraverso un orifizio naturale (oppure una singola porta addominale) e bloccato all’interno tramite sistemi magnetici o ad aghi. In questo caso l’invasività à ̈ ridotta al minimo, in quanto non possono non aversi fori transcutanei nel corpo del paziente, eliminando rischi di infezione e cicatrici.

I principali limiti di questo approccio sono:

- destrezza, per il momento, ancora molto limitata;

- potenza ridotta, a causa del fatto che tutti gli attuatori vengono messi a bordo del robot.

A proposito di quest’ultimo aspetto, dato che il robot deve passare attraverso lumi naturali o attraverso una singola porta di accesso, le sue dimensioni dovranno necessariamente essere minime e si dovranno quindi usare motori di dimensioni appunto ridotte e di conseguenza di bassa potenza. Pertanto, l’approccio NOTES non à ̈ in grado di garantire le prestazioni del sistema Da Vinci in termini di velocità di moto dello strumento e forza di trazione. Quest’ultimo aspetto à ̈ legato anche alla mancanza di uno stabile supporto rigido dei bracci operativi che consenta di esercitare forze di entità significativa nella manipolazione per task chirurgici.

In sintesi, quindi, le attuali soluzioni per procedure chirurgiche laparoscopiche basate su bracci robotici manovrati dall’esterno prevedono unità ingombranti e richiedono comunque incisioni più invasive rispetto alle tecniche tradizionali di laparoscopia (ormai ben radicate nella moderna pratica chirurgica). D’altro canto, la soluzione basata su robot che navigano nel corpo à ̈ ancora in uno stato embrionale e sembra non riuscire a garantire la stabilità, la destrezza e la potenza necessarie per interventi chirurgici nella cavità addominale.

Pertanto, i sistemi noti non ottengono un compromesso ottimale fra destrezza, potenza e gradi di libertà da una parte e mini-invasività (anche con possibilità di singola porta di accesso) dall’altra. In particolare, come detto sopra i sistemi che consentono di operare in condizioni di minima invasività, con porta di accesso singola o attraverso un orifizio naturale, non permettono di ottenere la stabilità e le potenze necessarie nella chirurgia addominale.

In particolare, uno dei problemi associati ai suddetti inconvenienti à ̈ ottenere una soddisfacente rigidità della catena cinematica dei bracci robotici attuabili dall’esterno ed una riduzione dei relativi giochi meccanici, fornendo al contempo una efficace attuazione “on board†dei giunti distali del braccio robotico.

Sommario dell’invenzione

Il problema tecnico posto e risolto dalla presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire un apparato robotico per interventi in laparoscopia che consenta di ovviare agli inconvenienti appena menzionati con riferimento alla tecnica nota.

Tale problema viene risolto da un apparato robotico secondo la rivendicazione 1.

Caratteristiche preferite della presente invenzione sono presenti nelle rivendicazioni dipendenti della stessa.

La presente invenzione fornisce alcuni rilevanti vantaggi. Il vantaggio principale consiste nel fatto che essa fornisce un meccanismo differenziale particolarmente efficiente e di ingombro contenuto, idoneo alla trasmissione del moto in qualsiasi sistema miniaturizzato che riceve o à ̈ atto a ricevere mezzi di attuazione di un giunto flessionale e di un giunto torsionale disposti in serie, potendo appunto essere interposto fra tali mezzi di attuazione e detti giunti.

Altri vantaggi, caratteristiche e le modalità di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo.

Descrizione breve delle figure

Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

§ la Figura 1 mostra una schematica vista in prospettiva di una forma di realizzazione preferita di un apparato robotico secondo l’invenzione, in una configurazione esemplificativa a due bracci (bimanuale), ciascuno dei quali a struttura seriale, ossia con una disposizione seriale di relativi giunti rotativi;

§ le Figure da 2A a 2I mostrano ciascuna una vista in prospettiva dell’apparato di Figura 1 in una fase di inserimento di un relativo braccio attraverso un corpo introduttore che funge da porta di accesso laparoscopica;

§ la Figura 3 mostra una vista in prospettiva posteriore di parte dell’apparato robotico di Figura 1 che evidenzia relativi mezzi di bloccaggio dei bracci sul corpo introduttore secondo una prima variante di realizzazione;

§ le Figure 4A, 4B e 4C mostrano ciascuna una vista in prospettiva frontale dell’apparato robotico di Figura 3 in una rispettiva fase della procedura di bloccaggio dei relativi bracci sul corpo introduttore;

§ le Figure 5A e 5B mostrano ciascuna una rispettiva vista frontale dell’apparato robotico di Figura 3 che corrisponde rispettivamente alle fasi di Figura 4A, 4B e 4C;

§ la Figura 6 mostra una vista frontale di una seconda variante di realizzazione dei mezzi di bloccaggio dei bracci dell’apparato robotico di Figura 1;

§ la Figura 7 mostra una vista in prospettiva laterale di una prima forma di realizzazione preferita di un braccio robotico dell’apparato di Figura 1;

§ le Figure 8A e 8B si riferiscono al braccio robotico di Figura 7, mostrandone rispettivamente una vista in prospettiva ed una sezione longitudinale eseguita secondo la linea A-A di quest’ultima figura ed evidenziando la realizzazione di mezzi di trasmissione del moto da attuatori esterni ai primi due giunti del braccio;

§ la Figura 9 mostra una vista in prospettiva dell’apparato robotico di Figura 1, che evidenzia una variante di realizzazione per la disposizione relativa dei due bracci;

§ le Figure 10A e 10B mostrano ciascuna una vista in prospettiva dell’apparato robotico di Figura 9 in una rispettiva fase di introduzione di un braccio di questo nel corpo introduttore;

§ la Figura 11 mostra una vista in prospettiva di una variante di realizzazione di mezzi di trasmissione del moto da attuatori esterni ai primi due giunti del braccio di Figura 7;

§ la Figura 12 mostra una vista in prospettiva di una sezione trasversale del braccio robotico di Figura 7, che evidenzia una ulteriore variante di realizzazione di mezzi di trasmissione del moto da attuatori esterni ai primi tre giunti del braccio stesso;

§ la Figura 13 mostra una vista in prospettiva laterale, parzialmente in spaccato, del braccio di Figura 12 che evidenzia un meccanismo interno di trasmissione a cavi;

§ la Figura 14 mostra una vista in esploso di un dispositivo di pretensionamento del braccio di Figura 12;

§ la Figura 15 mostra una schematica vista in prospettiva frontale dell’apparato robotico di Figura 1 che incorpora i mezzi di trasmissione a cavi di Figura 12;

§ la Figura 16 mostra una vista in prospettiva laterale parzialmente in esploso di una forma di realizzazione preferita di una parte distale di braccio robotico dell’apparato di Figura 1, compatibile con le varianti di realizzazione delle precedenti figure;

§ le Figure 17A, 17B e 17C si riferiscono ad un meccanismo di trasmissione della porzione di braccio di Figura 16, mostrandone rispettivamente una vista in prospettiva, una vista in pianta ed una vista laterale;

§ le Figure 18A, 18B e 18C si riferiscono ad una forma di realizzazione preferita di un giunto intermedio di un braccio robotico dell’apparato di Figura 1, mostrandone rispettivamente una vista in prospettiva parzialmente in spaccato, una vista in sezione frontale ed una vista in sezione laterale;

§ le Figure 19A e 19B mostrano rispettive viste in prospettiva – quella di Figura 19B come ingrandimento di un particolare - di una forma di realizzazione preferita di un braccio robotico compatibile con l’apparato di Figura 1 e che prevede una disposizione ibrida parallelo/seriale di relativi giunti rotativi;

§ le Figure 20 e 21 si riferiscono ad un meccanismo di attuazione di giunti prossimali del braccio robotico di Figura 19A, 19B, mostrando rispettivamente una vista in prospettiva del meccanismo ed una vista laterale di un particolare di questo; § le Figure 22A, 22B e 22C mostrano ciascuna una vista in prospettiva relativa ad una variante di un sistema di introduzione;

§ le Figure 22D e 22E mostrano ciascuna una vista in prospettiva di un medesimo dettaglio ingrandito del corpo introduttore di Fig.22A;

§ le Figure 23A, 23B, 23C e 24 mostrano ciascuna una vista in prospettiva del braccio robotico di Figura 19A, 19B e del corpo introduttore di Figura 22A-22E in una rispettiva fase dell’inserimento del primo nel secondo;

§ la Figura 25 mostra una vista in prospettiva di due bracci robotici realizzati secondo la Figura 19A, 19B inseriti nel corpo introduttore di Figura 22A;

§ le Figure 26A e 26B mostrano ciascuna una vista in prospettiva di una variante di realizzazione di un corpo introduttore, rispettivamente in una configurazione di minimo ingombro ed in una configurazione dispiegata;

§ la Figura 27 mostra una schematica vista in prospettiva dell’apparato robotico di Figura 1 in un’altra configurazione che incorpora due bracci robotici parallelo/seriali analoghi a quello di Figura 19A, 19B ed un braccio seriale analogo a quello di Figura 7.

Descrizione dettagliata di forme preferite di realizzazione

Struttura generale dell’apparato robotico

Con riferimento inizialmente alla Figura 1, un apparato robotico per interventi di laparoscopia secondo una forma di realizzazione preferita dell’invenzione à ̈ complessivamente denotato con 100.

In tale figura, l’apparato 100 à ̈ rappresentato in una configurazione esemplificativa che prevede un primo ed un secondo braccio robotico, denotati rispettivamente con 101 e 102, ciascuno presentante una pluralità di giunti articolati disposti longitudinalmente lungo il braccio stesso secondo una struttura seriale. In particolare, ciascun braccio 101, 102 presenta sei gradi di libertà. La porzione di estremità distale (rispetto al chirurgo) di ciascun braccio robotico 101, 102 può essere dotata di strumenti chirurgici, quali ad esempio pinze 109, o di sensori, quali videocamere o sensori biometrici.

Configurazioni alternative dell’apparato 100 verranno descritte più avanti con riferimento ad esempio alla Figura 27, nella quale l’apparato stesso comprende un braccio seriale 101 e due bracci a struttura ibrida parallelo/seriale denotati rispettivamente con 201 e 202.

Tornando quindi alla Figura 1, l’apparato 100 comprende anche un corpo di supporto 103, o introduttore, presentante una struttura tubolare a geometria cilindrica nel suo complesso analoga a e compatibile con quella di un trocar. Il corpo di supporto 103 presenta un asse longitudinale di simmetria denotato con X in Figura 1.

Il corpo di supporto 103 Ã ̈ atto appunto a fungere da introduttore dei bracci 101 e 102 nel corpo del paziente, consentendo il passaggio di entrambi attraverso di esso.

L’apparato 100 comprende inoltre un sistema di visione stereoscopica 104, rappresentato schematicamente in Figura 1. Tale sistema di visione 104 può essere associato ad uno dei bracci 101 o 102 oppure introdotto attraverso il corpo di supporto 103 con altri mezzi.

Modalità esemplificativa di inserimento dei bracci robotici seriali attraverso il corpo introduttore

Come detto sopra, il corpo introduttore 103 à ̈ concepito per consentire l’introduzione dei bracci robotici dell’apparato 100 entro il corpo del paziente.

Una modalità di introduzione preferita prevede l’inserimento di un braccio robotico per volta. Le Figure da 2A a 2I mostrano appunto, schematicamente ed in sequenza, come ciascuno dei bracci robotici 101 e 102 viene inserito, durante un intervento di laparoscopia, attraverso il corpo introduttore 103.

In particolare, come mostrato nelle Figure 2A e 2B, durante l’inserzione il primo braccio 101 viene disposto longitudinalmente entro il corpo introduttore 103 in una configurazione di allineamento rettilineo dei propri giunti.

Durante tale inserimento, braccio 101 e corpo 103 sono accoppiati scorrevolmente mediante rispettivi mezzi di impegno complementari, meglio visibili in Figura 3. Nel presente esempio, tali mezzi di impegno comprendono una costa longitudinale 112 sporgente da una prima porzione prossimale di base 110 del braccio 101 ed atta a scorrere in una rispettiva scanalatura 113 praticata nella parete interna del corpo di supporto 103.

Con riferimento ora alle Figure 2C, 2D, 2E e 2F, una volta che una seconda porzione prossimale 111 del braccio 101 à ̈ fuoriuscita dal corpo introduttore 103 entro la cavità addominale o altro distretto corporeo, i giunti prossimali del braccio 101 vengono attuati (secondo modalità che verranno descritte più avanti) in modo tale da consentire una rotazione sostanzialmente di 90 gradi del giunto più prossimale verso l’esterno rispetto all’asse longitudinale del corpo introduttore 103.

Con riferimento alle Figure 2G, 2H e 2I, viene quindi introdotto il secondo braccio 102, secondo modalità analoghe a quelle sopra descritte per il primo braccio.

Una volta portati nella configurazione introdotta di Figura 2I, i bracci 101 e 102 vengono bloccati sul corpo introduttore 103 secondo modalità che verranno descritte a breve.

Prima modalità di bloccaggio dei bracci robotici sul corpo introduttore

Con riferimento alla Figura 3, come detto sopra ciascun braccio robotico 101, 102 presenta una prima porzione prossimale di base 110 atta ad accoppiarsi scorrevolmente con la parete interna del corpo introduttore 103.

Inoltre, sempre come già menzionato, ciascun braccio robotico 101, 102 presenta una seconda porzione prossimale 111, disposta distalmente rispetto alla prima porzione prossimale ed associata alla la suddetta pluralità di giunti articolati ed a sua volta articolata alla porzione di base 110 in modo tale da poter ruotare di 90 gradi circa rispetto a questa, ossia rispetto all’asse longitudinale X del corpo introduttore 103. Tale “piegamento†del braccio può essere passivo o attuato esternamente, ad esempio mediante sistemi di azionamento a cavi o altri mezzi di trasmissione meccanica di tipo di per sé noto.

Nel presente esempio, in corrispondenza della propria estremità prossimale la seconda porzione 111 di ciascun braccio reca una sede di bloccaggio 117, meglio visibile in Figura 5A ed il cui ruolo verrà chiarito a breve.

Come mostrato sempre in Figura 3 e come illustrato sopra, la struttura complessiva dell’apparato 100 à ̈ tale che entrambi i bracci 101 e 102 possono essere inseriti contemporaneamente attraverso il corpo introduttore 103 ed alloggiati, durante l’uso, entro questo in corrispondenza della propria porzione prossimale di base 110.

Sempre in Figura 3, a titolo puramente esemplificativo sono stati rappresentati cavi di trasmissione 108, intesi per trasmettere il moto ai giunti più prossimali (spalla) dei bracci 101 e 102 e sul cui ruolo si tornerà più avanti.

Nella presente forma di realizzazione, l’apparato 100 comprende anche un elemento di bloccaggio 114, o spina, che à ̈ atto ad essere inserito longitudinalmente attraverso il corpo introduttore 103 centralmente fra i due bracci 101 e 102 per bloccare questi ultimi sul corpo introduttore stesso. L’elemento di bloccaggio 114 reca, in corrispondenza della propria estremità longitudinale disposta distalmente durante l’uso, due appendici trasversali sagomate, denotate rispettivamente con 115 e 116, disposte da parti diametralmente opposte e ciascuna atta ad inserirsi in una rispettiva sede di bloccaggio 117 di un rispettivo braccio 101, 102.

Preferibilmente, l’elemento di bloccaggio 114 presenta una struttura tubolare, ossia un lume longitudinale interno, denotato con 118 in Figura 5A.

Le modalità di bloccaggio dei bracci robotici 101 e 102 sul corpo introduttore 103 vengono descritte a seguire.

Una volta che i bracci robotici sono nella configurazione introdotta di Figura 2I, viene introdotto fra i due bracci l’elemento di bloccaggio 114, in una disposizione in cui le appendici 115, 116 risultano ortogonali alla direzione di estensione trasversale delle seconde porzioni prossimali 111. Come mostrato nella sequenza delle Figure 4A-4C e 5A-5B, l’elemento di bloccaggio 114, una volta introdotto completamente attraverso il corpo 103, viene ruotato in modo da portare in impegno tali appendici 115, 116 entro le rispettive sedi 117, ove esse vengono trattenute ad incastro, a scatto o mediante altri mezzi di trattenimento analoghi. In tal modo, rendendo l’elemento di bloccaggio 114 solidale al corpo introduttore 103, la parte più prossimale di ciascun braccio 101, 102 à ̈ saldamente bloccata sul corpo introduttore 103.

Ai fini del suddetto movimento di inserimento e rotazione, l’elemento di bloccaggio 114 può essere connesso ad un supporto rigido esterno, ad esempio un motorino che lo fa scorrere e ruotare di 90°.

Sarà apprezzato che i mezzi di bloccaggio appena descritti consentono di bloccare saldamente in posizione i bracci dopo la loro introduzione, fornendo ad essi notevole stabilità meccanica. Infatti, i bracci, una volta posizionati entro l'addome, formano corpo unico con il corpo introduttore 103. Inoltre, ad irrigidire il tutto contribuisce l’elemento di bloccaggio centrale 114.

La disposizione descritta consente quindi di ottenere un supporto stabile per i bracci operativi pur operando attraverso un unico lume (ad esempio l’ombelico) o porta di accesso. Tale stabilità meccanica durante l’intervento à ̈ condizione necessaria per l’accuratezza di questo. Inoltre, in virtù di detta stabilità i bracci robotici possono esercitare forze di entità significativa ed essere quindi in grado di eseguire qualsiasi task manipolatorio necessario ai fini chirurgici.

Ancora, operando attraverso bracci comunque attuabili dall’esterno l’apparato dell’invenzione può esercitare potenze importanti ed ottenere una soddisfacente destrezza.

Infine, in virtù di detto supporto stabile per i bracci l’apparato ottiene comunque una effettiva bi-manualità pur potendo operare attraverso un unico lume o porta di accesso.

Inoltre, la realizzazione cava dell’elemento di bloccaggio 114 fa sì che rimanga disponibile, anche dopo il bloccaggio dei bracci, un lume interno 118 per l’introduzione di strumenti operatori o ausiliari. Dalle Figure 5A e 5B si apprezza anche come, a bloccaggio completato, rimangono disponibili anche due lumi laterali 119 e 120 entro il corpo introduttore 103.

Ancora, la disposizione descritta garantisce sicurezza nella rimozione del blocco. Infatti, dal momento che l’elemento di bloccaggio 114 presenta una costruzione rigida ed à ̈ manovrabile dall’esterno, i rischi legati alla impossibilità di ripiegare i bracci a operazione terminata sono minimi.

La Figura 6 mostra una variante di realizzazione dei mezzi di bloccaggio appena descritti, nella quale la costruzione complessiva – e in particolare la disposizione delle appendici 115, 116 e delle relative sedi 117 - à ̈ non assialsimmetrica. In tale variante, la disposizione complessiva à ̈ tale che, una volta bloccate sul corpo introduttore 103, le seconde porzioni prossimali 111 dei due bracci 101 e 102 presentano assi longitudinali incidenti secondo una angolo acuto a, che à ̈ anche l’angolo relativo secondo il quale sono disposte le due appendici 115, 116 e naturalmente le rispettive sedi 117.

Struttura generale di un braccio robotico seriale

Di seguito, verranno descritte alcune forme di realizzazione preferite per la parte distale dei bracci a struttura seriale 101 e 102, e in particolare per i giunti articolati di questi. Tale descrizione verrà riferita ad un singolo braccio, in particolare al primo braccio 101, ma à ̈ applicabile tal quale al secondo braccio 102.

Con riferimento alla Figura 7, il braccio a struttura seriale 101, come già menzionato, presenta sei gradi di libertà, associati ad altrettanti giunti rotoidali e preferibilmente distribuiti come segue:

- un primo grado di libertà torsionale (rotazione attorno ad asse longitudinale Y) associato ad un primo giunto 1;

- un secondo grado di libertà flessionale (rotazione attorno ad asse trasversale J) associato ad un secondo giunto 2;

- un terzo grado di libertà flessionale (rotazione attorno ad asse trasversale K) associato ad un terzo giunto 3;

- un quarto grado di libertà torsionale (rotazione attorno ad asse longitudinale Z) associato ad un quarto giunto 4;

- un quinto grado di libertà flessionale (rotazione attorno ad asse trasversale W) associato ad un quinto giunto 5; e

- un sesto grado di libertà torsionale (rotazione attorno ad asse longitudinale U) associato ad un sesto giunto 6.

Pertanto, la mobilità e la destrezza finale del braccio 101 sono ottenute con una alternanza di giunti torsionali e flessionali disposti in sequenza longitudinale lungo il braccio stesso.

Un ulteriore grado di libertà in apertura/chiusura può poi essere ottenuto a livello dello strumento distale 109, come mostrato schematicamente con una freccia in Figura 7.

Per semplicità, definiremo “prossimali†i primi due giunti 1, 2 e “distali†gli altri quattro giunti 3-6.

Seguendo una analogia antropomorfa, i primi due giunti 1 e 2 possono essere intesi come associati ai gradi di libertà di una spalla, il terzo giunto 3 inteso come associato ad un grado di libertà per il piegamento di un gomito e gli ultimi tre giunti 4-6 intesi come associati ai tre gradi di libertà di un polso sferico disposto in corrispondenza di un “avambraccio†.

Prima variante di realizzazione per la trasmissione del moto da attuatori esterni ai giunti prossimali del braccio robotico seriale e variante di realizzazione del sistema di bloccaggio dei bracci robotici sul corpo introduttore

Nella presente forma di realizzazione e come viene descritto in maggiore dettaglio a seguire, i primi due giunti prossimali 1-2 sono attuati dall’esterno mediante appositi mezzi di trasmissione, mentre gli altri quattro giunti sono attuati mediante mezzi motori locali.

Le Figure 8A e 8B si riferiscono appunto ad una forma di realizzazione preferita di mezzi per la trasmissione del moto da attuatori esterni 80 e 90 (schematicamente rappresentati in Figura 8A e di per sé noti) ai giunti prossimali 1 e 2. In tale forma di realizzazione, i mezzi di trasmissione si basano su un rotismo combinatore a ruote coniche.

Scendendo maggiormente nel dettaglio, i due attuatori esterni 80 e 90 sono connessi ciascuno ad un rispettivo primo o secondo albero motore rotante 8, 9 posto all’inizio della catena cinematica del braccio.

Ciascun albero motore 8, 9 à ̈ alloggiato in un rispettivo primo o secondo manicotto 11, 12, a sua volta reso solidale al corpo introduttore 103 dopo l’inserimento entro quest’ultimo. Tale fissaggio dei manicotti 11, 12 al corpo introduttore 103 può essere realizzato tramite mezzi di serraggio noti applicati tra il corpo motori 80, 90 e il corpo introduttore 103 stesso.

Ciascun albero motore 8, 9 attraversa inoltre una porzione di involucro esterno del braccio 101, denotata con 10 ed associata ai due giunti 1 e 2, ed à ̈ a questa amovibilmente accoppiato mediante cuscinetti volventi o mezzi di connessione equivalenti.

La porzione di involucro 10 à ̈ inoltre solidale ai due manicotti 11 e 12. In tal modo, la base del braccio robotico 101, in posizione operativa, à ̈ rigidamente e saldamente ancorata al corpo introduttore 103. Pertanto, in questa forma di realizzazione à ̈ previsto un bloccaggio diverso da quello descritto con riferimento alle Figure 3 e 4A-6.

I mezzi di trasmissione qui descritti comprendono poi un primo ed un secondo ingranaggio conico, rispettivamente 13 e 15, ciascuno solidale ad un rispettivo albero motore 8, 9.

Il primo ingranaggio conico 13 trasmette il moto ad un albero 14 che si estende lungo l’asse longitudinale Y e che, mediante un ulteriore ingranaggio conico distale 16 che si accoppia con un corrispondente ulteriore componente del giunto 2, realizza il moto in corrispondenza di quest’ultimo.

Il secondo ingranaggio conico 15 trasmette il moto ad un albero cavo 151 che realizza il movimento al giunto 1. In particolare, entro l’albero cavo 151 si estende coassialmente l’albero longitudinale 14 il quale ruota entro l’albero cavo 151. Pertanto, il movimento del secondo albero motore 9 provoca anche il movimento al secondo giunto 2. È comunque possibile ottenere un movimento indipendente del primo e secondo giunto 1 e 2 tramite un’opportuna combinazione dei movimenti degli alberi motori 8 e 9, qui non ulteriormente descritta in quanto alla portata di un tecnico del ramo.

In estrema sintesi, il dispositivo di trasmissione proposto (che potrebbe essere oggetto di separata ed indipendente tutela) si basa su di una coppia di alberi motori 8, 9 ciascuno accoppiato mediante ingranaggi conici 13, 15 o mezzi equivalenti ad un ulteriore albero 14, 151 ad esso sostanzialmente ortogonale, gli alberi di questa seconda coppia risultando sostanzialmente ortogonali ai rispettivi alberi motori 8, 9 ed essendo inoltre coassiali fra di loro.

Sarà apprezzato che la forma di realizzazione appena descritta consente di attuare i due giunti prossimali con un meccanismo di dimensioni estremamente ridotte.

Come già accennato, la struttura appena descritta richiede una modalità di inserimento e bloccaggio dei bracci robotici attraverso il corpo introduttore diversa da quella delle Figure 2A-2I e mostrata nelle Figure 9 e 10A,10B.

La Figura 9 mostra l’apparato 100, evidenziando la disposizione relativa dei due bracci 101 e 102, particolarmente per quanto attiene alle porzioni dei primi due giunti prossimali 1 e 2 e secondo la forma di realizzazione preferita di questi ultimi descritta con riferimento alle Figure 8A e 8B.

Per ottenere la configurazione di Figura 9 e con riferimento anche alle Figure 10A e 10B, i due bracci 101 e 102 possono essere inseriti nel corpo introduttore 103 uno alla volta. Durante l'inserimento, ciascun braccio viene sorretto da due cavi 61 e 62, ciascuno collegato ad un rispettivo manicotto 11, 12. Una volta inseriti i bracci 101 e 102, anche gli alberi cavi 11 e 12 vengono introdotti attraverso il corpo introduttore 103 e i due cavi 61 e 62 collegati a ciascun braccio vengono tirati dall'esterno, insieme a tutto il braccio in modo da far entrare i manicotti 11 e 12 in loro sedi entro l’involucro 10.

Anche in questa forma di realizzazione, quindi, il braccio robotico 101, 102 prevede una prima ed una seconda porzione prossimale, quest’ultima qui denotata con 121 e che si dispone, in uso, sostanzialmente ortogonale all’asse longitudinale X del corpo introduttore 103.

Seconda variante di realizzazione per la trasmissione del moto da attuatori esterni ai giunti prossimali del braccio robotico seriale

In base ad una variante di realizzazione rispetto alla disposizione di Figura 8A e 8B, l’attuazione esterna dei giunti di “spalla†1 e 2 prevede l’impiego di rispettivi alberi in traslazione invece che in rotazione, come mostrato in Figura 11.

In particolare, nella forma di realizzazione qui considerata la trasmissione del moto a ciascuno dei giunti 1 e 2 à ̈ effettuata tramite un rispettivo meccanismo vite senza fine – ruota dentata. I mezzi di trasmissione comprendono quindi, per ciascun giunto, un albero motore traslante 800 che attraversa l’involucro 10 del braccio 101 e che presenta, in corrispondenza della propria estremità distale, una filettatura elicoidale 27. Quest’ultima si accoppia meccanicamente con una ruota dentata 28 alloggiata entro l’involucro 10 ed a sua volta atta a trasmettere il moto al grado di libertà corrispondente.

I mezzi di trasmissione qui considerati prevedono anche una ruota folle 29, disposta da parte opposta dell’albero traslante 800 rispetto alla ruota dentata 28. Tale ruota folle 29 permette di supportare le sollecitazioni radiali sull’albero motore 800 dovute all’accoppiamento vite senza fine – ruota dentata, le quali possono risultare specialmente critiche date le piccole dimensioni del meccanismo.

L’inserimento dell’albero motore 800 attraverso l’involucro 10 e fra le ruote 28 e 29 può essere eseguito mediante una iniziale rotazione dello stesso associata ad un avanzamento pari al passo dell’elica della filettatura 27. In questo modo sarà possibile introdurre l’albero senza attuare il grado di libertà corrispondente. In seguito, il movimento traslatorio dell’albero 800 permetterà di comandare la rotazione desiderata dei giunti 1 e 2.

Sempre in Figura 11, il meccanismo di trasmissione descritto à ̈ rappresentato accoppiato ad una trasmissione interna del moto realizzata mediante cavi 30, ove una rispettiva puleggia motrice 31 di ciascuno di questi à ̈ solidale alla rispettiva ruota dentata 28.

Anche con i mezzi di trasmissione ad alberi traslanti appena descritto à ̈ possibile ottenere una configurazione del sistema come quella illustrata in Figura 9, tramite un sistema di inserimento e bloccaggio analogo a quello descritto per il meccanismo di attuazione ad alberi rotanti ed illustrato in Figura 10A e 10B.

In estrema sintesi, la soluzione proposta (che potrebbe anch’essa essere oggetto di separata ed indipendente tutela) si basa sull’impiego di un albero traslante per ciascun giunto, accoppiato con il giunto stesso mediante un meccanismo di trasmissione ad ingranaggi o equivalente ed associati elementi a cavo o equivalenti.

Sarà apprezzato che la soluzione ad alberi in traslazione appena descritta consente di ridurre il diametro stesso degli alberi, sottoposti in questo caso a trazione/compressione invece che a torsione, e di avere più spazio libero nel canale introduttore del corpo 103 rispetto all’attuazione con alberi rotanti della Figura 8A, 8B.

Terza variante di realizzazione per la trasmissione del moto da attuatori esterni ai primi tre giunti prossimali del braccio robotico seriale

Verrà ora descritta una variante di realizzazione dei mezzi di trasmissione del moto da attuatori esterni ai primi tre giunti prossimali 1, 2 e 3 del braccio 101, 102 basata su un meccanismo di trasmissione a cavi.

Con riferimento alle Figure 12 e 13, i suddetti mezzi di trasmissione a cavi prevedono una particolare disposizione di pulegge folli entro l’involucro del braccio al fine di consentire ai cavi di attuazione dei giunti 2 e 3 di oltrepassare il primo giunto torsionale 1. In particolare, tali pulegge folli sono posizionate radialmente a diversa distanza dall’asse del giunto torsionale 1.

Nella presente forma di realizzazione, i giunti 2 e 3 sono attuati mediante quattro cavi totali, due per ciascuno di essi ossia per ciascun grado di libertà. Come detto sopra, tutti e quattro tali cavi devono passare attraverso il primo giunto 1 e due di essi anche attraverso il secondo giunto 2.

Seguendo il percorso di uno dei quattro cavi che attuano i giunti 2 e 3, un primo cavo 17 viene fatto passare attraverso una prima puleggia folle 18 - o primo rimando -posizionata su un albero fisso 19 (ossia non girevole con il giunto 1) coassiale con l’involucro del braccio - il quale involucro/corpo principale del braccio à ̈ in tal caso denotato con 22 - e quindi con l’asse Y del braccio. La prima puleggia 18 à ̈ disposta con il proprio asse di rotazione trasversale e quindi ortogonale all’asse Y dell’albero fisso 19.

Successivamente il cavo 17 passa attraverso una seconda puleggia folle 20 – o secondo rimando - posizionata sull’albero fisso 19 coassialmente ad esso.

Da qui il percorso del cavo 17 procede verso una terza puleggia folle 21 o terzo rimando - anch’essa disposta con asse trasversale ortogonale all’albero fisso 19 e solidale all’involucro esterno rotante 22 del braccio.

Il cavo arriva quindi sul giunto 2. Il passaggio dei cavi oltre il giunto 2 e per l’attuazione del giunto 3 à ̈ poi ottenuto mediante un meccanismo di rinvii analogo a quello appena descritto ed alloggiato evidentemente nella porzione di braccio interposta fra i giunti 2 e 3.

Le Figure 12 e 13 mostrano ulteriori pulegge oltre a quelle descritte, che sono idonee al passaggio degli altri tre cavi attraverso il giunto secondo modalità analoghe a quelle già descritte.

Sarà apprezzato che il meccanismo di trasmissione proposto può essere associato anche alla variante di realizzazione ad alberi rotanti per l’attuazione dei primi due giunti ed impiegato per una trasmissione del moto ai giunti successivi ed anche alla forma di realizzazione ad alberi traslanti anche per la trasmissione del moto ai primi giunti.

Sarà apprezzato che il meccanismo appena descritto ottiene i seguenti vantaggi:

- un efficace ed affidabile passaggio dei cavi di trasmissione attraverso i giunti prossimali 1 e 2 ed in uno spazio estremamente ridotto;

- in termini generali, il passaggio attraverso un giunto torsionale in una disposizione compatta, permettendo una ampia rotazione del giunto torsionale stesso e con efficienza di trasmissione indipendente dalla posizione angolare del giunto torsionale stesso;

- l’assenza di torsione dei cavi presente in alcune soluzioni di tecnica nota.

Sempre in termini generali, il meccanismo descritto consente l’attuazione a cavi di una moltitudine di giunti a valle di un giunto posto con l’asse parallelo allo sviluppo longitudinale iniziale dei cavi ed in uno spazio ridotto, in quanto le pulegge folli sono poste con asse radiale rispetto al suddetto giunto.

Un sistema di rinvii come quello appena descritto, che nella sua definizione più generale si basa su di una pluralità di pulegge folli disposte in sequenza ed in cui ciascuna puleggia presenta un asse ortogonale a quello della puleggia adiacente, può in effetti trovare applicazione anche in settori diversi da quello qui considerato. In particolare, la disposizione descritta à ̈ applicabile in qualsiasi dispositivo attuatore – anche diverso dalla porzione di braccio articolato qui considerata - dotato di un grado di libertà torsionale e di un grado di libertà flessionale. Nella sua definizione più generale, tale dispositivo attuatore comprende:

- ï€un corpo principale (equivalente alla porzione di braccio considerata) dotato di un grado di libertà torsionale secondo un asse di rotazione longitudinale (l’asse Y sopra considerato);

- ï€un giunto (il giunto 2 nella disposizione sopra descritta) disposto in corrispondenza di una estremità di tale corpo principale;

- ï€mezzi per la trasmissione del moto flessionale a tale giunto attraverso il corpo principale, i quali mezzi di trasmissione comprendono una pluralità di pulegge folli atte ad essere impegnate da almeno un cavo di trasmissione, le quali pulegge folli sono disposte a distanza radiale variabile rispetto a detto asse longitudinale.

Con riferimento ora alla Figura 14, nella presente forma di realizzazione à ̈ anche previsto un dispositivo di pretensionamento dei cavi, che consente a questi ultimi di essere sempre in tensione già prima della fase operativa vera e propria.

Il dispositivo di pretensionamento suddetto à ̈ atto ad essere alloggiato in uno spazio ridotto quale l’interno della parte prossimale del braccio (ossia la suddetta “spalla†).

Per ciascun cavo di trasmissione, il dispositivo di pretensionamento prevede l’uso di due pulegge accoppiate tra loro tramite un meccanismo che permette una rotazione unidirezionale tra le due pulegge stesse.

In particolare, per ciascun cavo in Figura 14 à ̈ prevista una prima puleggia di tensionamento 23 che à ̈ meccanicamente solidale ad un albero 25 ed una seconda puleggia di tensionamento 24 libera di ruotare sullo stesso albero 25. Sono inoltre previste una prima ed una seconda ruota scanalata 26 e 27, ciascuna disposta internamente ad una rispettiva puleggia 23, 24 e solidale ad essa. Le due ruote scanalate 26 e 27 sono sagomate in modo da formare un accoppiamento meccanico con l’albero 25 che si oppone alla rotazione in un verso della rispettiva puleggia, mentre lascia libera la rotazione nell’altro verso.

In particolare, la prima ruota 26 presenta un profilo esterno a denti di sega, che si impegna in un corrispondente profilo interno a gradini della seconda ruota 27, consentendo la rotazione a scatti in un senso (con i denti che scorrono sulle creste dei gradini) e impedendo quella in senso opposto perché i denti riscontrano nelle spallette dei gradini. In tal modo, à ̈ possibile pre-tensionare il cavo ruotando le pulegge nel verso di rotazione libera, fino ad ottenere un precarico desiderato. La contro-rotazione delle pulegge à ̈ ostacolata appunto dall’accoppiamento tra le ruote scanalate 26 e 27.

Sarà apprezzato che la realizzazione a cavi dei mezzi di trasmissione permette di aumentare lo spazio libero all’interno del corpo introduttore.

In una variante dello stesso sistema, soltanto i primi due giunti 1 e 2 sono attuati a cavi, mentre il giunto 3 à ̈ attuato da un motore posto internamente, semplificando così il meccanismo complessivo.

I due o più bracci parzialmente attuati a cavi possono essere disposti come in Figura 15 in accordo con l’architettura generale dell’apparato di Figura 1 e con la prima modalità di bloccaggio dei bracci sopra descritta.

Attuazione dei giunti distali del braccio robotico seriale

Con riferimento ora alle Figure 16 e 17A-17C, come menzionato in precedenza i giunti distali 4-6 di ciascun braccio robotico 101, 102 dell’apparato 100 di Figura 1 sono movimentati mediante mezzi di attuazione on-board. Tale attuazione a bordo à ̈ ottenuta mediante motori miniaturizzati preferibilmente elettrici, nel presente esempio motori brushless DC.

Per quanto attiene ai giunti 5 e 6, la soluzione proposta consiste in un particolare meccanismo differenziale che permette di ridurre l’ingombro occupato dal complesso dei due giunti 5, 6 e consente l’alloggiamento dei motori lungo l’asse del suddetto “avambraccio†. Tale meccanismo differenziale comprende un primo ed un secondo assieme di tre ruote dentate preferibilmente coniche, ciascun assieme denotato rispettivamente con 340 e 350, che sono accoppiate a formare il differenziale tramite l’utilizzo di un treno di tre ulteriori ruote dentate preferibilmente a denti diritti disposte in sequenza trasversale e denotate rispettivamente con 34 e 35 per le due ruote laterali e con 36 per la ruota centrale.

In particolare, il primo assieme di ruote coniche 340 comprende tre ruote accoppiate a formare sostanzialmente una struttura a “C†, e in particolare una prima ed una seconda ruota 341 e 343 che hanno assi di rotazione incidenti. La ruota 341 ha asse di rotazione parallelo all’asse longitudinale dell’avambraccio, mentre l’asse della ruota 343 compie una rotazione attorno all’asse W di un albero 360 realizzando il grado di libertà 5 di figura 7. Una terza ruota conica 342 à ̈ interposta fra le prime due per accoppiarle ed à ̈ disposta con asse di rotazione sostanzialmente ortogonale a quello della ruota 341. Una speculare disposizione à ̈ prevista per il secondo assieme 350.

Le ruote coniche intermedia 342 e 352 dei due assiemi sono folli sull’albero intermedio 360 di asse W.

Le due ruote laterali 34 e 35 del suddetto treno di ruote sono solidali rispettivamente alla prima ruota conica 343 del primo assieme 340 e ad una analoga prima ruota conica 353 del secondo assieme 350.

La ruota centrale 36 à ̈ invece solidale all’estremità distale, denotata con 37, del braccio robotico.

La ruota conica 341 del primo assieme 340 Ã ̈ invece solidale ad un asse motore di mezzi motori 38 ed analogamente una ruota conica 351 del secondo assieme 350 Ã ̈ solidale ad altri mezzi motori 39.

L’estremità del braccio robotico presenta quindi un grado di rotazione cosiddetto pitch (beccheggio, rotazione intorno all'asse W) e roll (rollio, rotazione attorno all'asse U) a seconda che i mezzi motori 38 e 39 ruotino nello stesso verso di rotazione (pitch) o in verso opposto (roll). Quindi, attraverso una opportuna combinazione dei mezzi motori 38 e 39 si può ottenere una combinazione di roll e pitch desiderata.

Per quanto attiene all’attuazione del giunto torsionale 4, sono previsti ulteriori mezzi motori 40 posti sempre all’interno dell’avambraccio con asse parallelo ad esso ed associati a mezzi di trasmissione 400 preferibilmente ad ingranaggi a denti diritti.

Nell’esempio qui considerato, i giunti 4, 5 e 6 presentano in questo modo assi incidenti.

Preferibilmente, nell’assieme 340 il rapporto di riduzione tra le ruote 341 e 342 à ̈ maggiore di 1 ed à ̈ uguale al rapporto di riduzione tra le ruote 343 e 342. Questo permette una rotazione attorno all’asse w dell’albero 360 superiore ai 90° senza che la ruota 343 vada ad urtare la ruota 341.

Sarà apprezzato che anche la soluzione proposta per l’attuazione dei giunti distali 4-6 consente di ottenere un elevato livello di miniaturizzazione, pur consentendo valori di potenza adeguati.

Sarà compreso che una attuazione di giunti seriali come quella appena descritta può essere prevista come parte distale di un braccio complessivamente ibrido 201, 202 come quelli di Figura 27.

Sarà infine compreso che il meccanismo differenziale appena proposto si presta anche ad una tutela autonoma, ossia indipendente dall’applicazione ad un braccio robotico.

Come già detto, tale meccanismo differenziale à ̈ idoneo alla trasmissione del moto in qualsiasi sistema che riceve o à ̈ atto a ricevere mezzi di attuazione di un giunto flessionale e di un giunto torsionale disposti in serie, potendo appunto essere interposto fra tali mezzi di attuazione e detti giunti.

In tale definizione generale, i mezzi di trasmissione comprendono un primo ed un secondo assieme di tre ruote dentate, preferibilmente coniche, e un treno di tre ulteriori ruote dentate, preferibilmente a denti diritti, che accoppiano detti primo e secondo assieme a formare un meccanismo differenziale. Preferibilmente, le ruote dentate di ciascuno del primo e secondo assieme sono disposte a formare una struttura complessivamente a “C†, ruote adiacenti presentando assi di rotazione mutuamente ortogonali, in cui due ruote presentano asse di rotazione sostanzialmente parallelo all’asse del giunto torsionale e la terza ruota intermedia presenta asse di rotazione sostanzialmente parallelo o coincidente con l’asse del giunto flessionale.

Attuazione del terzo giunto del braccio robotico seriale

Con riferimento ora alle Figure 18A-18C ed in base ad una variante preferita di realizzazione, il giunto 3 del cosiddetto “gomito†– che pone in rotazione una parte distale 41 del braccio (ossia l’avambraccio) rispetto ad una parte prossimale 410 – prevede che un albero di rotazione 42 estendentesi secondo l’asse trasversale K già introdotto sia realizzato in due porzioni longitudinali distinte 421 e 422. Il moto viene trasmesso da una ruota motrice locale 43 all’asse K del giunto tramite un accoppiamento di ruote coniche 430 ad angolo retto associate alle suddette due parti 421 e 422 dell’albero 42.

Sarà apprezzato che la soluzione proposta per il giunto 3 consente un’ampia rotazione, in particolare una rotazione complessiva di più di 90 gradi e fino a 130 gradi, con un treno di trasmissione a ingranaggi compatto.

Struttura generale di un braccio robotico ibrido seriale/parallelo

Con riferimento ora alle Figure 19A e 19B, come menzionato in precedenza la struttura dell’apparato di Figura 1 à ̈ compatibile anche con la realizzazione di uno o più dei suoi bracci secondo una disposizione ibrida parallelo/seriale di relativi giunti rotativi.

In particolare, in ciascuno dei bracci parallelo/seriale 201, 202 i giunti prossimali 1-3 della forma di realizzazione seriale descritta sopra sono sostituiti da una struttura parallela 44 che permette ad una parte distale 45 del braccio di presentare tre gradi di libertà traslazionali.

Scendendo maggiormente nel dettaglio della presente forma di realizzazione, sono previsti tre punti prossimali di articolazione attuati da rispettivi motori (ad esempio motori brushless DC) posizionati esternamente all’apparato 100, come verrà illustrato in maggiore dettaglio a breve. Tali punti prossimali di articolazione sono realizzati mediante tre rispettive cerniere, una delle quali denotata a titolo esemplificativo con 46. Queste ultime permettono la rotazione di altrettanti corrispondenti segmenti prossimali 471 rispetto ad una base 450 della struttura parallela dalla quale si dirama ciascuno dei segmenti prossimali 471 stessi.

Come detto sopra, per effetto del movimento combinato alle tre cerniere 46 in corrispondenza della base 450, la porzione distale 45 trasla lungo tre assi ortogonali fra loro.

Ciascuno dei segmenti prossimali 471 à ̈ poi a sua volta articolato, in corrispondenza di una propria estremità distale, ad un rispettivo segmento distale 472, quest’ultimo articolato, in corrispondenza dell’altra estremità, alla suddetta porzione distale 45.

La porzione distale 45 presenta inoltre altri tre gradi di libertà rotazionali posizionati ortogonalmente tra loro, in aggiunta a quelli traslazionali sopra menzionati.

L’attuazione dei suddetti tre gradi di libertà rotazionali (ed eventualmente l’attuazione di un grado di libertà aggiuntivo a livello dell’utensile 109) può avvenire o con motori posti direttamente sui segmenti distali stessi o con altrettanti motori posti esternamente. Nel caso di motori posizionati esternamente, la potenza viene trasmessa ai segmenti mediante una attuazione a cavi che corrono lungo gli assi della struttura parallela.

L’attuazione dell’utensile 109 può essere trasmessa lungo il braccio mediante un cavo e una guaina 48, rappresentati a titolo esemplificativo nelle figure qui considerate.

La combinazione di tutti e sei i gradi di liberta permette comunque all’utensile 109 posizionato in punta raggiungere le zone interessate dal chirurgo, sia in termini di posizione che di angolo.

La Figura 20 mostra in maggiore dettaglio l’attuazione dei punti di articolazione 46 della presente forma di realizzazione, in configurazione operativa del braccio robotico. Come già detto, tale attuazione avviene tramite motori esterni al corpo del paziente ed una associata trasmissione a cavi. In particolare, i motori esterni attuano pulegge motrici 49 tramite rispettivi assi, le quali pulegge attraverso cavi 50 comandano i gradi di libertà. Tali cavi 50 vengono incanalati nel corpo introduttore 103. All’interno del braccio robotico una serie di pulegge folli e rinvii 51 guidano i cavi 50 verso i meccanismi di apertura e aggancio del braccio e verso i rispettivi giunti da attuare.

Anche in questa forma di realizzazione il braccio robotico 201 prevede una prima ed una seconda porzione prossimale, quest’ultima qui denotata con 131 e che si dispone, in uso, sostanzialmente ortogonale all’asse longitudinale X di un corpo introduttore 603 che verrà descritto qui di seguito.

Modalità esemplificativa di inserimento dei bracci robotici ibridi attraverso il corpo introduttore

Con riferimento alle Figure da 22A a 25, verranno ora descritte modalità preferite di introduzione dei bracci robotici ibridi sopra descritti nel corpo del paziente.

Nella variante realizzativa qui considerata, viene impiegato un corpo introduttore 603 modificato rispetto a quello sopra descritto con riferimento alla struttura seriale dei bracci. Tale corpo introduttore 603 viene inserito nella cavità addominale del paziente, esemplificata con una linea curva L in Figura 22A e 22B.

Il corpo introduttore 603 presenta naturalmente un canale operativo che permette il passaggio dei bracci chirurgici e degli strumenti ausiliari. Sulle pareti di tale canale operativo possono essere ricavate guide per agevolare l’inserimento dei bracci chirurgici stessi.

Nella variante di realizzazione mostrata nelle Figure 22A-22C, al corpo introduttore 603 sopra descritto può essere associato, e in particolare amovibilmente inserito, un mezzo incisore frontale 620, la cui funzione à ̈ quella di creare un apertura per l’inserimento del corpo introduttore 603 o facilitarne l’inserimento nel caso in cui l’apertura fosse già presente. Una volta terminato l’inserimento del corpo introduttore 603, l’incisore può aprirsi per permettere l’inserimento dei bracci oppure direttamente essere rimosso, come mostrato in Figura 22C.

Il corpo introduttore presenta inoltre mezzi di bloccaggio, intesi per il riferimento ed il posizionamento rigido dei bracci, che sono complessivamente denotati con 608 e meglio visibili in Figura 22D. Come mostrato in quest’ultima figura, tali mezzi di bloccaggio 608 comprendono una pluralità di elementi oblunghi, tipicamente in forma di asta denotata con 609, alloggiati in corrispondenza delle pareti interne del corpo introduttore 603 ed estendentisi longitudinalmente paralleli a queste ultime e quindi all’asse longitudinale X del corpo introduttore stesso. Ciascuna asta 609 reca, in corrispondenza di una propria estremità distale, un elemento o appendice laterale di aggancio 610, tale che ne risulta una conformazione sostanzialmente ad “L†dell’asta stessa. Nella presente forma di realizzazione, sono previste sei aste 609, a due a due ravvicinate per bloccare un medesimo braccio robotico, e distribuite sulla circonferenza del corpo introduttore 603.

Le aste 609 sono scorrevoli lungo e girevoli attorno ad un proprio asse longitudinale sostanzialmente parallelo all’asse longitudinale X del corpo introduttore, in modo tale che gli elementi di aggancio 610 possano essere traslati e ruotati verso l’esterno del corpo introduttore 603 e non ostacolare l’inserimento dei bracci attraverso di esso.

Con riferimento alla Figura 22E, una volta che l’inserimento di un braccio à ̈ stato eseguito, gli elementi di aggancio 610 della coppia corrispondente possono essere nuovamente ruotati e retratti in modo da portarli in impegno in apposite sedi 611 ricavate sulla porzione prossimale 131 del braccio, vincolandola saldamente al corpo introduttore 603 stesso. Le aste 609 interessate vengono quindi bloccate sul corpo introduttore 603 una volta che à ̈ stato agganciato il braccio corrispondente, in modo tale da completare il trattenimento del braccio stesso sul corpo introduttore 603.

Il corpo introduttore 603 può poi essere vincolato ad una struttura esterna in grado di orientarlo e mantenerlo in una posizione voluta.

Scendendo maggiormente nel dettaglio delle modalità di inserimento dei bracci, una volta che il corpo introduttore 603 à ̈ stato posizionato e gli elementi di aggancio 610 sono stati ruotati nel modo suddetto verso l’esterno del corpo introduttore 603 stesso, à ̈ possibile procedere all’inserimento di un braccio 201, 202 per volta, come mostrato nelle Figure 23A e 23B. Il braccio 201 durante l’inserimento presenta una particolare configurazione di allineamento dei relativi giunti atta a ridurne l’ingombro e facilitarne di conseguenza l’inserimento nel corpo introduttore 603, mostrata appunto in dette figure. Le guide eventualmente presenti sulle pareti del corpo introduttore facilitano tale inserimento.

Come mostrato nelle Figure 23C e 24, una volta raggiunta la corretta posizione il braccio viene aperto e ruotato in corrispondenza della porzione prossimale 131 (e in particolare del giunto 1 e di un giunto prossimale 1’ di questa) per poter essere agganciato all’introduttore 603 mediante gli elementi 610. Una volta che il braccio robotico à ̈ stato posizionato, il lume del corpo introduttore risulta essere nuovamente libero per l’inserimento degli altri bracci che seguono la medesima procedura, come mostrato in Figura 25.

Sarà apprezzato che la differenza sostanziale tra il dispositivo 103 di Figura 1 ed il dispositivo 603 qui considerato risiede nel fatto che l’introduttore 103 presenta un sistema di aggancio comune per tutti i bracci robotici. Questo comporta il fatto che per sostituire un braccio robotico risulta necessario disimpegnarli tutti. Ha tuttavia il vantaggio della semplicità costruttiva e di conseguenza un costo e praticità maggiore.

L’introduttore 603 può sostituire ciascun braccio senza dover necessariamente svincolare gli altri bracci (che possono quindi continuare ad operare senza essere influenzati dal cambio). Questo perché ogni braccio robotico ha un suo sistema di ancoraggio, indipendente dagli altri.

Come mostrato sempre in Figura 25, oltre ai due bracci in configurazione ibrida viene inserito un terzo braccio che comprende un sistema di visione 104.

Il braccio dedicato al sistema di visione presenta minori problematiche in termine di forze da trasmettere ed accuratezza dei movimenti ed inoltre può avere un numero di gradi di libertà inferiori rispetto ai bracci robotici espressamente studiati per eseguire l’operazione chirurgica.

Terminata la procedura di inserimento di tutti i bracci, all’interno dell’introduttore 603 risulta presente un canale operativo libero per permettere eventualmente l’utilizzo di strumenti chirurgici complementari.

La configurazione sopra descritta permette di effettuare una sostituzione dei bracci (es. per cambiare le caratteristiche dell’utensile) indipendentemente dalla presenza o meno di altri componenti dell’apparato.

Nella variante delle Figure 26A e 26B, il corpo introduttore, sempre denotato con 603, comprende inoltre, in corrispondenza della propria estremità distale, una struttura dispiegabile sostanzialmente a fiore, ossia tre appendici 605 girevolmente connesse sul corpo di base lungo la circonferenza di questo e selettivamente azionabili per far passare il corpo introduttore 603 da una configurazione di minimo ingombro, mostrata in Figura 26A e nella quale tali appendici sono richiuse sul corpo di base, ad una configurazione dispiegata, mostrata in Figura 26B e nella quale le appendici sono ruotate verso l’esterno. Questa seconda configurazione à ̈ atta a consentire l’introduzione di uno o più bracci ibridi nella cavità addominale.

La soluzione ibrida parallelo/seriale per la struttura del braccio robotico presenta il vantaggio di una maggiore rigidità del sistema, di una riduzione dei giochi meccanici e della possibilità di poter realizzare più facilmente un’attuazione a cavi. In particolare, rispetto ad una cinematica totalmente seriale la soluzione ibrida permette di realizzare più facilmente un sistema di attuazione in cui uno o più motori sono posizionati esternamente al robot ed al paziente. Questo perché per portare la potenza dai motori ai gradi di libertà distali à ̈ necessario attraversare un minor numero di giunti della catena cinematica del robot.

Alcune ulteriori possibili varianti di realizzazione

Nelle forme e varianti di realizzazione sopra descritte, i bracci robotici sono attuati tramite mezzi di trasmissione meccanica quali ad esempio cavi, assi in rotazione o traslazione come descritto sopra. Una particolare soluzione tecnica può prevedere anche l’uso di tubature con fluidi in pressione per l’attuazione di particolari movimenti, quali ad esempio l’apertura e chiusura di pinze o altri strumenti.

Sarà quindi apprezzato meglio a questo punto come il sistema robotico dell’invenzione, particolarmente nelle forme di realizzazione sopra descritte:

§ può essere efficacemente dotato di almeno due bracci, eseguendo operazioni chirurgiche bimanuali con destrezza del singolo braccio paragonabile al sistema Da Vinci in termini di specifiche tecniche;

§ riesce ad ottenere prestazioni simili al sistema Da Vinci in termini di destrezza, velocità di operazione e forza sull’end-effector, riducendo al contempo l’invasività della procedura grazie all’approccio a singola porta di accesso;

§ consente, con la presenza di un lume (0-30 mm) interno al corpo introduttore, il passaggio di strumenti addizionali, quali ago e filo da sutura, spugna emostatica, sensori, ecc., evitando ulteriori incisioni nel corpo del paziente;

§ permette di implementare, grazie all’attuazione a bordo del braccio dei gradi di libertà distali, un feedback di forza tramite la lettura della corrente assorbita dai motori (non presente nelle piattaforme di robotica chirurgica attuali);

§ fa sì, grazie alle soluzioni meccaniche proposte per il braccio seriale antropomorfo (ad esempio i rimandi stellari per l’attuazione a cavi della spalla, l’attuazione traslatoria lineare per i gradi di libertà prossimali, il meccanismo di pretensionamento dei cavi in spazi ridotti, la suddivisione dell’asse del gomito in due parti, il meccanismo differenziale allocato nel polso), che le dimensioni totali del braccio possano garantirne l’inserzione tramite un singolo foro, pur garantendo le specifiche prestazionali desiderate;

§ riesce a garantire, con la soluzione ibrida del braccio parallelo/seriale, una maggiore rigidezza, una maggior precisione e fluidità di movimento, una maggiore semplicità di realizzazione per l’attuazione a cavi;

§ garantisce, con il meccanismo di aggancio un supporto rigido per i bracci, che questi possano essere introdotti in modo sequenziale sfruttando l’intero lume interno (sfruttare tutto il diametro interno fa sì che ciascun braccio massimizzi lo spazio a disposizione per i meccanismi e gli attuatori);

§ sempre grazie al meccanismo di aggancio proposto consente di fissare più di due bracci per volta, di sostituirne uno solo o più all’occorrenza (sostituzione strumento chirurgico), e di scegliere arrangia mentile disposizioni spaziali più vantaggiose (in termini di spazio di lavoro e triangolazione degli strumenti) per portare a compimento la specifica operazione chirurgica;

§ secondo l’invenzione, i bracci robotici trovano, mediante il fissaggio al corpo introduttore e la presenza dell’elemento di bloccaggio, un efficace supporto su cui scaricare le forze dei loro end effectors, realizzando in tal modo una elevata affidabilità operativa.

Un altro aspetto importante à ̈ che in questo caso si ha un comportamento veramente bimanuale del sistema.

L’apparato dell’invenzione trova una applicazione preferenziale nelle procedure di chirurgia del distretto addominale. Una possibile applicazione specifica del sistema proposto à ̈ costituita da procedure di chirurgia bariatrica per curare l’obesità patologica.

La presente invenzione à ̈ stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI 1. Braccio robotico (101, 102; 201, 202), particolarmente idoneo per interventi di chirurgia minimamente invasiva, in particolare di laparoscopia, comprendente un giunto torsionale (6) ed un giunto flessionale (5) disposti in serie, che realizzano rispettivi gradi di libertà del braccio stesso, il quale braccio robotico riceve o à ̈ atto a ricevere mezzi di attuazione (38, 39) di detti giunti flessionale (5) e torsionale (6), il quale braccio robotico comprende mezzi di trasmissione (340, 350, 34-36) interposti fra tali mezzi di attuazione (38, 39) e detti giunti (5, 6), in cui detti mezzi di trasmissione comprendono un primo (340) ed un secondo (350) assieme di tre ruote dentate, preferibilmente coniche, e un treno di tre ulteriori ruote dentate (34-36), preferibilmente a denti diritti, che accoppiano detti primo (340) e secondo (350) assieme a formare un meccanismo differenziale.
2. 2. Braccio robotico (101, 102; 201, 202) secondo la rivendicazione precedente, in cui le ruote dentate di ciascuno di detti primo (340) e secondo (350) assieme sono disposte a formare una struttura complessivamente a “C†, ruote adiacenti presentando assi di rotazione mutuamente ortogonali, in cui una ruota laterale (343, 353) di ciascun assieme presenta asse di rotazione sostanzialmente parallelo all’asse (U) di detto giunto torsionale (6) ed una ruota intermedia (342, 352) di ciascun assieme presenta asse di rotazione sostanzialmente parallelo o coincidente con l’asse (W) di detto giunto flessionale (5).
3. 3. Braccio robotico (101, 102; 201, 202) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui le tre ruote (34-36) di detto treno sono disposte in sequenza seriale.
4. 4. Braccio robotico (101, 102) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, dotato di una pluralità di giunti di articolazione (1-6) disposti in sequenza seriale lungo il braccio stesso.
5. 5. Braccio robotico (201, 202) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, comprendente, prossimalmente rispetto a detto meccanismo differenziale: - una base prossimale (450); - una porzione distale (45), attuabile secondo una pluralità di gradi di libertà rispetto a detta base prossimale (450); e - una pluralità di segmenti articolati (471, 472) interposti secondo una configurazione in parallelo fra detta base prossimale (450) e detta porzione distale (45), ciascuno di detti segmenti essendo articolato in corrispondenza di una propria estremità prossimale a detta base (450) ed in corrispondenza di una propria estremità distale a detta porzione distale (45) e recante inoltre una articolazione intermedia, la disposizione complessiva essendo tale che detta porzione distale (45) presenta tre gradi di libertà traslazionali rispetto a detta base prossimale (450).
6. 6. Braccio robotico (201, 202) secondo la rivendicazione precedente, in cui detti segmenti articolati (471, 472) sono tre.
7. 7. Braccio robotico (201, 202) secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui detti segmenti articolati (471, 472) sono attuati o attuabili a livello di detta articolazione (46) a detta base prossimale (450).
8. 8. Braccio robotico (201, 202) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, in cui detta porzione distale (45) presenta inoltre tre gradi di libertà rotazionali rispetto alla struttura parallela realizzata da detti segmenti articolati (471, 472).
9. 9. Braccio robotico (101, 102; 201, 202) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente uno strumento operativo (109) disposto distalmente.
10. 10. Braccio robotico (101, 102; 201, 202) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto strumento operativo (109) à ̈ dotato di un grado di libertà aggiuntivo.
11. 11. Apparato robotico per interventi di chirurgia minimamente invasiva (100), in particolare laparoscopia, comprendente: - un braccio robotico (101, 102; 201, 202) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; - un corpo introduttore (103; 603), atto ad essere inserito attraverso la cute del paziente per realizzare una porta di accesso al sito operatorio, il quale corpo introduttore (103; 603) reca un lume longitudinale interno, il quale lume interno presenta una sezione di ingresso prossimale ed una sezione di uscita distale ed à ̈ atto a consentire il passaggio di detto braccio articolato (101; 201) attraverso il corpo introduttore stesso (103; 603); e - mezzi di bloccaggio (115, 117; 608), atti a rendere solidale una parte prossimale (111; 121; 131) di detto braccio articolato (101; 201) a detto corpo introduttore (103; 603).
12. 12. Apparato (100) secondo la rivendicazione precedente, comprendente un mezzo incisore frontale (620) inserito o inseribile amovibilmente entro detto corpo introduttore (603) ed atto a favorire l’inserimento di quest’ultimo nel paziente.
13. 13. Apparato (100) secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detti mezzi di bloccaggio comprendono un elemento di bloccaggio (114; 609) inseribile in detto lume longitudinale di detto corpo introduttore (103; 603), il quale elemento di bloccaggio (114; 609) Ã ̈ atto ad essere reso solidale a detto corpo introduttore (103; 603) e ad una parte prossimale (111; 131) di detto braccio (101).
14. 14. Apparato (100) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto elemento di bloccaggio (114; 609) presenta conformazione oblunga.
15. 15. Apparato (100) secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui detto elemento di bloccaggio (114; 609) reca almeno una appendice laterale (115; 610) e detto braccio robotico (101; 201) reca una corrispondente sede (117; 611) atta ricevere detta appendice laterale (115; 609).
16. 16. Apparato (100) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta appendice laterale à ̈ un dente di aggancio (610).
17. 17. Apparato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 13 a 16, comprendente mezzi di azionamento di detto elemento di bloccaggio (114; 609) secondo un movimento lineare e/o rotatorio, disposti, in uso, esternamente a detto corpo introduttore (103; 603).
18. 18. Apparato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 17, in cui detti mezzi di bloccaggio (608) comprendono una coppia di aste longitudinali di bloccaggio (609) per detto o ciascun braccio robotico (201, 202).
19. 19. Apparato (100) secondo la rivendicazione precedente, in cui dette aste (609) sono disposte longitudinalmente parallele lungo la periferia di detto corpo introduttore (603).