MX2014005410A

MX2014005410A - Robot de micromanipulación firme.

Info

Publication number: MX2014005410A
Application number: MX2014005410A
Authority: MX
Inventors: Kevin C Olds; Russell H Taylor
Original assignee: Univ Johns Hopkins
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2014-11-26
Also published as: CA2854505A1; US8911429B2; JP2015501729A; CA2854505C; IN2014KN00937A; KR20140090993A; MX353717B; US20130131867A1; WO2013067535A1; JP6366506B2; EP2773279A4; BR112014010588A2; US9554865B2; ZA201502962B; SG11201402020XA; KR102099143B1; EP2773279A1; US20150073597A1; IL232310B; EP2773279B1

Abstract

Se describe un robot de control cooperativo que incluye un componente base, una plataforma móvil colocada próxima al componente base, un montaje de traslación conectado operativamente con el componente base y con la plataforma móvil y configurado para mover la plataforma móvil con grados de libertad de translación sustancialmente sin giro con respecto a dicho componente, un montaje de herramienta conectado con la plataforma móvil, y un sistema de control configurado para comunicarse con el montaje de traslación para controlar el movimiento de la plataforma móvil en respuesta a las fuerzas de un usuario aplicadas a por lo menos una porción del robot de control cooperativo. El montaje de traslación incluye por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables, cada uno conectado con una posición separada de la plataforma móvil. Un sistema robótico incluye dos o más robots de control cooperativo.

Description

ROBOT DE MICROMANIPULACIÓN FIRME Referencia Cruzada a la Solicitud Relacionada Esta solicitud reclama la prioridad al Número de Solicitud Provisional Americana 61/555,780 presentado el 4 de noviembre de 2011, cuyo contenido completo se incorpora en este medio por referencia.

Campo de la Invención El campo de las modalidades actualmente reivindicadas de esta invención se relaciona con los sistemas robóticos, y más particularmente con los robots y los sistemas de control cooperativo.

Antecedentes de la Invención Muchas disciplinas quirúrgicas como oftalmología, otología, laringología, neurocirugía, y cirugía cosmética y reconstructiva, así como los campos no quirúrgicos como investigación biomédica y microinstalación, tienen un microcomponente de manipulación que amplía los límites sensorial-motrices humanos. Varias soluciones robóticas se han propuesto para solucionar los problemas similares en la cirugía, más prominentemente posible el robot quirúrgico daVinci de Intuitive Surgical (figura 1). El robot daVinci se diseñó principalmente para la cirugía mínimamente invasora, y usa un paradigma de control de teleoperación. Esto significa que la consola de control y el robot en sí son piezas de equipo separadas, y el cirujano se sienta lejos del paciente.

Aunque el paradigma de teleoperación presenta muchas ventajas en la cirugía mínimamente invasora, presenta poco beneficio en muchas tareas microquirúrgicas. La separación del robot y de la consola hace que el sistema completo ocupe un espacio mucho mayor en la sala de operaciones (OR, por sus siglas en inglés), y retira anormalmente al cirujano del área de operación. El volumen total del sistema lo hace lento de ajustar y de desacoplar, así es difícil llevarlo dentro y fuera de la OR según sea necesario. También, puesto que el robot daVinci se diseña para imitar la posición natural de la mano de los cirujanos que realizan la cirugía mínimamente invasora, tiene una operación difícil con los mangos del instrumental paralelos entre sí, como en la cirugía laríngea. Estas limitaciones también pueden dar lugar a la necesidad de cambiar totalmente las prácticas quirúrgicas para adaptarlas al robot. Otra desventaja importante de este sistema es su costo. El robot daVinci tiene altos costos fijos (costo inicial del robot ~$2 millones) y altos costos variables (instrumentos quirúrgicos desechables adaptados, entrenamiento quirúrgico para las operaciones daVinci).

Puesto que el robot daVinci se usa principalmente en cirugía mínimamente invasora, se diseña para funcionar a través de pequeñas incisiones. Esto requiere que sus instrumentos giren sobre el punto donde ingresan al paciente, para no ejercer fuerza sobre la incisión. Esto se denomina como un centro de movimiento remoto (RCM, por sus siglas en inglés), puesto que la herramienta gira sobre un punto que está fuera del robot. El robot daVinci alcanza dos grados de libertad de giro (inclinación y giro) sobre un centro de movimiento remoto usando una etapa de giro y un mecanismo de cable (figura 2). También tiene un grado de libertad de translación para insertar y para retirar las herramientas a lo largo del eje de la herramienta. Este mecanismo de traslación está al final del brazo, lo cual agrega un volumen significativo y evita que el robot opere con dos instrumentos paralelos entre sí y en gran proximidad (figura 3).

Otro método para superar las limitaciones sensoriomotrices humanas en la cirugía se ha adoptado por el robot ocular JHU 2 (figura 4). Este sistema usa un paradigma de control cooperativo donde el cirujano se sienta con el paciente y sujeta la herramienta quirúrgica junto con el robot. El robot detecta la presión del cirujano sobre la herramienta a través de un sensor de fuerza y se mueve por consiguiente. Este sistema es mucho más pequeño y requiere menos modificación a los procedimientos quirúrgicos que el robot daVinci.

El robot ocular JHU 2 usa tres etapas de traslación para proporcionar los grados de libertad de translación x, y, y z, así como una etapa de giro y la conexión de un centro de movimiento remoto2 para proporcionar los grados de libertad de giro necesarios. Si la herramienta necesita girar sobre un punto que es diferente del centro de giro de los mecanismos, entonces las etapas de traslación pueden compensar y permitir que el mango de la herramienta gire sobre otro punto. La limitación principal de este diseño es que depende de un mecanismo fundamentalmente serial, que requiere que cada accionador tenga todos los accionadores subsecuentes. Esto hace al sistema completo más grande y más pesado de lo que de otra manera necesitaría ser. El peso del robot impone límites de velocidad sobre las etapas de traslación, que a su vez evita el seguimiento de los movimientos quirúrgicos rápidos, o la compensación de los centros de movimiento que están lejos de aquellos del mecanismo.

Una versión anterior del robot ocular JHU 2, el robot ocular JHU 1, usó una conexión estándar de 4 barras en lugar de la conexión del centro de movimiento remoto, una etapa de giro, y un conjunto similar de 3 grados de libertad (dof, por sus siglas en inglés) de las etapas de traslación (figura 5). El mecanismo no tiene un punto natural de RCM, y usa las etapas de traslación para aumentar los empalmes de giro y para proporcionar la funcionalidad de RCM. La conexión de RCM se agregó en el robot ocular JHU 2 debido a que las etapas de traslación en el diseño serial fueron demasiado lentas para compensar el punto de RCM necesario en la cirugía ocular.

Existen los mecanismos alternativos para proporcionar tres grados de libertad del movimiento de translación, especialmente el mecanismo deltaico (figura 6). Este mecanismo usa tres conexiones de paralelogramo paralelamente para proporcionar los grados de libertad de translación x, y, y z, así como un eje que se extiende con dos empalmes universales para proporcionar un grado de libertad giratorio adicional, para un total de cuatro grados de libertad. Una ventaja de este mecanismo es que los accionadores actúan paralelamente, lo cual significa que no necesitan tener otro elemento entre si. Debido a esto, el mecanismo deltaico se ha usado ampliamente en la robótica industrial para las aplicaciones de selección y colocación de alta velocidad, así como para las aplicaciones quirúrgicas, y el control principal háptico (figura 7).

El mecanismo deltaico se ha usado en las aplicaciones quirúrgicas, especialmente en la cirugía maxilofacial (figura 8)6. Este sistema, ISIS Surgiscope, es un robot deltaico superior grande diseñado para manipular un microscopio quirúrgico, que se modificó para manipular las herramientas quirúrgicas como taladros óseos. Este usa un sensor de fuerza para detectar las fuerzas de interacción entre las herramientas y el tejido. En lugar de un paradigma de control cooperativo, este sistema usa un esquema de "planeamiento, programación y enseñanza interactiva" donde la libertad del robot está restringida usando los límites en la posición, la orientación, la fuerza, y el esfuerzo de torsión. Este sistema usa los motores montados en la plataforma móvil del robot deltaico ((8) en la figura 6) para controlar las herramientas quirúrgicas.

Este sistema no está bien adaptado a la microcirugía, debido a su gran tamaño y masa. También, puesto que es muy grande y se monta en el techo, no sería factible para que dos tales sistemas trabajen juntos en una operación a dos manos. El método de operación ampliamente planeado y predeterminado que este sistema usa no sería útil en las cirugías sin el diagnóstico por imagen preoperativa extensa, el registro, y la anatomía rígida.

El mecanismo deltaico también se ha modificado para integrar los accionadores adicionales en los brazos del sistema con la finalidad de accionar los grados de libertad adicionales en la punta (figura 9)7. Una variante del robot deltaico que usa los accionadores lineales también se propuso en el robot deltaico original (figura 10). Aún existe la necesidad de los robots y de los sistemas robóticos mejorados.

Breve Descripción de la Invención Un robot de control cooperativo de acuerdo con una modalidad de la presente invención incluye un componente base, una plataforma móvil colocada próxima al componente base, un montaje de traslación conectado operativamente con el componente base y la plataforma móvil y configurado para mover la plataforma móvil con los grados de libertad de translación sustancialmente sin el giro con respecto a dicho componente, un montaje de herramienta conectado con la plataforma móvil, y un sistema de control configurado para comunicarse con la montaje de traslación para controlar el movimiento de la plataforma móvil en respuesta a las fuerzas de un usuario aplicadas a por lo menos a una porción del robot de control cooperativo. El montaje de traslación incluye por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables, cada uno conectado con una posición separada de la plataforma móvil.

Un sistema robótico de acuerdo con una modalidad de la presente invención incluye una estructura de soporte, un primer y un segundo robot de control cooperativo conectados con la estructura de soporte, y un sistema de control adaptado para comunicarse con el primer y el segundo robot de control cooperativo. Cada uno del primer y del segundo robot de control cooperativo incluye un componente base conectado con la estructura de soporte, una plataforma móvil colocada próxima al componente base, un montaje de traslación conectado operativamente con el componente base y la plataforma móvil y configurado para mover la plataforma móvil con grados de libertad de translación sustancialmente sin el giro con respecto al componente base, y un montaje de herramienta conectado con la plataforma móvil. El sistema de control se configura para controlar el movimiento de cada plataforma móvil en respuesta a las fuerzas de un usuario aplicadas a por lo menos una porción de un robot correspondiente del primer y del segundo robot de control cooperativo, y cada montaje de traslación incluye por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables, cada uno conectado con una posición separada de la plataforma móvil.

Breve Descripción de los Dibujos Otros objetivos y ventajas llegarán a ser evidentes a partir de una consideración de la descripción, de los dibujos, y de los ejemplos.

La figura 1 muestra un ejemplo del sistema robótico daVinci de Intuitive Surgical.

La figura 2 ilustra el centro remoto daVinci del mecanismo de movimiento1.

La figura 3 muestra un ejemplo de los grados de libertad del daVinci. (Flecha de doble punta recta clara: etapa de traslación para inserción/extracción. Flecha curvada inferior sombreada: Inclinación. Flecha curvada superior oscura: Volteo.) La figura 4 muestra un ejemplo del robot ocular JHU 2.

La figura 5 muestra un ejemplo del robot ocular JHU 1.

La figura 6 es un dibujo de un mecanismo deltaico3.

La figura 7 muestra los ejemplos de: Robot deltaico industrial izquierdo superior4; Adept Quattro derecho superior, un robot deltaico de cuatro conexiones; Sistema principal háptico comercial izquierdo inferior que usa el mecanismo deltaico; Sistema principal háptico de 6 dof derecho inferior5.

La figura 8 muestra un ejemplo de un robot deltaico para la cirugía maxilofacial.

La figura 9 es una ilustración esquemática de un mecanismo deltaico modificado con tres accionadores montados en las patas del robot.

La figura 10 es una ilustración de una variante lineal del robot deltaico3.

La figura 11 es una ilustración de un robot de control cooperativo de acuerdo con una modalidad de la presente invención .

La figura 12 es una ilustración esquemática de un sistema robótico de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

Las figuras 13-15 muestran un prototipo de la modalidad de la figura 1 construido con Legos.

Las figuras 16-19 ilustran un robot de control cooperativo de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.

La figura 20 es una ilustración de un sistema robótico de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.

Descripción Detallada de la Invención Algunas modalidades de la presente invención se discuten detalladamente a continuación. En las modalidades descritas, la terminología específica se emplea por motivos de claridad. Sin embargo, la invención no se propone para limitarse a la terminología específica seleccionada de tal modo. Un experto en la técnica relevante reconocerá que otros componentes equivalentes pueden emplearse y que otros métodos pueden desarrollarse sin apartarse de los conceptos amplios de la presente invención. Todas las referencias citadas en cualquier parte en esta especificación se incorporan por referencia como si cada una estuviera incorporada individualmente.

La figura 11 es una ilustración esquemática de un robot de control cooperativo 100 de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El robot de control cooperativo 100 incluye un componente base 102, una plataforma móvil 104, y un montaje de traslación 106 conectado operativamente con el componente base 102 y la plataforma móvil 104.

El componente base 102 puede ser un componente estructural previsto para soportar una porción de, y transportarse con, el robot de control cooperativo 100, según lo ilustrado en la figura 11. Sin embargo, en otras modalidades, puede ser una porción de una estructura más grande, como una porción de un edificio. Por ejemplo, el componente base podía ser un techo, una pared, un piso, o una viga de un edificio.

El montaje de traslación 106 también se configura para mover la plataforma móvil 104 puramente con los grados de libertad de translación, sustancialmente sin el giro con respecto al componente base 102. Es decir, si la plataforma móvil 104 se considera como orientada paralelamente al componente base 102, permanece sustancialmente paralela para moverse a diferentes posiciones. El término sustancialmente paralelo significa que está dentro de la precisión de las tolerancias de fabricación disponibles y/o al grado de precisión requerido para la aplicación particular. La plataforma móvil 104 no se inclina ni gira con respecto al componente base 102. Es decir, está limitado en todos los grados de libertad giratorios. En algunas modalidades, la plataforma móvil 104 puede moverse con tres grados de libertad de translación, que pueden representarse, por ejemplo, por medio de las coordinadas mutuamente ortogonales X, Y y Z. El componente base 102, la plataforma móvil 104 y el montaje de traslación 106 pueden juntos ser un mecanismo deltaico, como, por ejemplo, pero sin limitarse a, cualquiera de los mecanismos deltaicos anteriormente mencionados.

El robot de control cooperativo 100 incluye además un montaje de herramienta 108 conectado con la plataforma móvil 104, y un sistema de control 110 configurados para comunicarse con el montaje de traslación 106 para controlar el movimiento de la plataforma móvil 104 en respuesta a las fuerzas de un usuario aplicadas a por lo menos una porción del robot de control cooperativo 100. El sistema de control 110 se ilustra esquemáticamente como por lo menos parcialmente contenido dentro del componente base 102. El sistema de control 110 incluye ambos sensores que pueden colocarse en múltiples posiciones a través del robot de control cooperativo 100 así como de los componentes de procesamiento de señal que pueden incorporarse en el robot de control cooperativo 100, como en el componente base 102, y/o un componente separado que está en comunicación ya sea alámbrica o inalámbrica con los sensores y el montaje de traslación 106.

El montaje de traslación 106 incluye por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables 112, 114, 116, que están conectados con una posición separada de la plataforma móvil 104. Por lo menos estos tres brazos accionadores 112, 114, 116 pueden proponerse como paralelamente operables, en un sentido lógico, es decir, como un circuito paralelo, en lugar de en un sentido geométrico. Es decir, los brazos accionadores se separan alrededor de la plataforma móvil 104, y no se conectan en cascada uno sobre el otro como son las etapas de traslación del robot ocular 2.

En algunas modalidades, la montaje de traslación 106 puede incluir además por lo menos tres motores 118, 120 122, cada uno conectado operativamente con un brazo respectivo de por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables 112, 114, 116. Por lo menos tres motores 118, 120 122 están soportados por el componente base 102 de tal manera que la plataforma móvil 104 esté libre para moverse sin soportar el peso de los motores 118, 120 122.

Cada uno de por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables 112, 114, 116 incluye un par de miembros estructurales interconectados (como los pares 124, 126 para el brazo accionador 114) colocados para formar un perfil de paralelogramo (por ejemplo, con los miembros cruzados 128, 130) que es variable en oblicuidad durante la operación.

En algunas modalidades, por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables 112, 114, 116 pueden ser brazos articulados, tal como se ilustra en la figura 11.

Sin embargo, no todas las modalidades requieren los brazos accionadores articulados. Además, los brazos accionadores pueden tener múltiples articulaciones en otras modalidades además de aquellas del ejemplo de la figura 11.

El montaje de herramienta 108 puede incluir un sujetador de herramienta 132 y un montaje de giro de herramienta 134 conectado operativamente con el sujetador de herramienta 132. El montaje de giro de herramienta 134 proporciona por lo menos dos y opcionalmente tres grados de libertad de giro para una herramienta 136 cuando se sujeta en el sujetador de herramienta 132. Sin embargo, los conceptos generales de la presente invención no se limitan al montaje de herramienta particular 108 de la figura 11. La herramienta 136 puede ser una herramienta sin modificar en algunas modalidades. En algunas modalidades, el robot de control cooperativo 100 puede ser un robot quirúrgico, por ejemplo, pero sin limitarse a, un robot microquirúrgico, y la herramienta 136, por ejemplo, puede ser una herramienta quirúrgica sin modificar. Sin embargo, los conceptos generales de la presente invención no se limitan solamente a los robots quirúrgicos, y no se limitan solamente a las herramientas sin modificar.

El montaje de giro de herramienta 134 puede incluir a un montaje de inclinación 138 que tiene una barra roscada 140 que es operable desde el componente base 102. Mientras gira la barra roscada 140, el sujetador de herramienta 132 gira sobre la bisagra 142. La barra roscada 140 puede impulsarse por medio de un eje de ranura extendido ubicado a la mitad con los empalmes universales en cada extremo que une al componente base 102, y pasa a través de la plataforma móvil 104. Además, el mecanismo de engranaje 146, que es operable desde el componente base 102, gira el montaje de herramienta completo 108 a excepción de la barra roscada 140 y del engranaje 148 y de la barra 150. El engranaje 148 puede impulsarse por medio de un eje de ranura extendido ubicado lateralmente con los empalmes universales en cada extremo que se une al componente base 102. Éste es un ejemplo en el cual el montaje de giro de herramienta proporciona dos grados de libertad de giro. Un tercer grado de libertad de giro puede proporcionarse dentro del sujetador de herramienta 132, por ejemplo, de tal manera que la herramienta 136 gire sobre un eje longitudinal. Sin embargo, los conceptos amplios de la presente invención no se limitan a este ejemplo particular. Por ejemplo, diferentes configuraciones de dos o tres grados de libertad de giro pueden proporcionarse y/o más de tres grados de libertad de giro pueden proporcionarse en otras modalidades de la presente invención. En una modalidad de la presente invención, por lo menos tres brazos articulados y el montaje de giro de herramienta se impulsan por medio de un motor respectivo que está conectado con el componente base. En una modalidad de la presente invención, el montaje robótico de control de herramienta puede incluir además un sensor de fuerza unido al sujetador de herramienta para medir por lo menos un componente de fuerza aplicado a una herramienta cuando se sujeta por medio del sujetador de herramienta. En una modalidad de la presente invención, el sensor de fuerza puede ser un sensor de fuerza de seis grados de libertad. Los adicionales sensores de fuerza y/o las colocaciones alternativas pueden proporcionarse en otras modalidades de la presente invención.

En operación, el usuario agarra la herramienta 136 para manipularla para la cirugía, la fabricación o cualquier otro procedimiento conveniente de manipulación. Un par de ejemplos puede incluir, pero sin limitarse a, microcirugía o fabricación de microprecisión. Uno o más sensores de fuerza se usan para detectar las fuerzas aplicadas del usuario de tal manera que el sistema de control 110 haga que la plataforma móvil 104 y el montaje de herramienta 108 se muevan de una manera deseada. Por ejemplo, el movimiento puede aumentar para permitir la micromanipulación así como para realizarse de una manera sin obstáculos para reducir los efectos del temblor de la mano. El sistema de control 110 puede incluir la función de preprograma como, por ejemplo, pero sin limitarse a, las zonas de seguridad que no pueden ser cruzadas, o a las áreas de manipulación definidas. El sistema de control 110 también puede incluir, por ejemplo, un grado de automatización, o de semiautomatización de las tareas.

Esta modalidad puede proporcionar una ventaja en cuanto a que todos los motores que controlan el robot pueden ubicarse en la base de tal manera que ningunos de los motores tengan que soportar cualquiera de los otros motores. Esto significa que cada uno de los motores es responsable de mover significativamente menos masa, lo cual permite que se usen motores más pequeños. También permite una masa reducida de la estructura que mueve el montaje de peaje. Esto puede dar lugar a un robot mucho más ligero que es capaz de velocidades más altas que si usará un mecanismo serial.

La figura 12 es una ilustración esquemática de un sistema robótico 200 de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El sistema robótico 200 incluye una estructura de soporte 202, el primer y el segundo robots de control cooperativo (204, 206) conectados con la estructura de soporte 202, y un sistema de control 208 adaptado para comunicarse con el primer y el segundo robot de control cooperativo (204, 206). Cada uno del primer y del segundo robot de control cooperativo 204 y 206, respectivamente, puede ser cualquier robot de control cooperativo de acuerdo con la presente invención. En el ejemplo de la figura 12, el primer y el segundo robot de control cooperativo 204 y 206 son similares a, o iguales como, el robot de control cooperativo 100.

En la modalidad de la figura 12, la estructura de soporte 202 incluye un primer puntal de carga superior 210 y un segundo puntal de carga superior 212 unido de manera giratoria al primer puntal de carga superior 208.

La figura 12 ilustra cómo dos robots de control cooperativo pueden de tal manera que, por ejemplo, las herramientas puedan usar cerca juntas y en una configuración sustancialmente paralela. Aunque el sistema robótico 200 se muestre con dos robots de control cooperativo, los conceptos generales de la presente invención no se limitan al sistema con solamente dos robots de control cooperativo. Por ejemplo, los sistemas robóticos que tienen tres o más robots de control cooperativo pueden incluirse en otras modalidades.

Otras modalidades de los montajes robóticos de control de herramienta y de los robots de microcirugía de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención, se describen con referencia a las figuras 13-15.

Las figuras 16-19 muestran tres diferentes vistas de un robot de control cooperativo 300 de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. El robot de control cooperativo 300 incluye un componente base 302, una plataforma móvil 304 colocada próxima el componente base 302, y un montaje de traslación 306 conectado operativamente con el componente base 302 y la plataforma móvil 304.

El componente base 302 puede ser un componente estructural previsto para soportar una porción de, y transportarse con, el robot de control cooperativo 300, tal como se ilustra en las figuras 16-19. Sin embargo, en otras modalidades, puede ser una porción de una estructura más grande, como una porción de un edificio. Por ejemplo, el componente base podría ser un techo, una pared, un piso, o una viga de un edificio.

El montaje de traslación 306 también se configura para mover la plataforma móvil 304 puramente con los grados de libertad de translación, sustancialmente sin el giro con respecto al componente base 302. Es decir, si la plataforma móvil 304 se considera como orientada paralelamente al componente base 302, permanece sustancialmente paralelo para moverse a diferentes posiciones. El término sustancialmente paralelo significa que está dentro de la precisión de las tolerancias de fabricación disponibles y/o al grado de precisión requerido para el uso particular. La plataforma móvil 304 no se inclina ni gira con respecto al componente base 302. Es decir, se contrae en todos los grados de libertad de giro. En algunas modalidades, la plataforma móvil 304 puede moverse con tres grados de libertad de translación, que pueden representarse, por ejemplo, por medio de las coordinadas mutuamente ortogonales X, Y y Z.

El montaje de traslación 306 incluye por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables 312, 314, 316, que están conectados con una posición separada de la plataforma móvil 304. Por lo menos estos tres brazos accionadores 312, 314, 316 pueden proponerse para operar paralelamente, en un sentido lógico, es decir, como un circuito paralelo, en lugar de en un sentido geométrico. Es decir, los brazos accionadores se separan alrededor de la plataforma móvil 304, y no se conectan en cascada uno encima del otro como son las etapas de traslación del robot ocular 2.

En algunas modalidades, la montaje de traslación 306 incluye además por lo menos tres guías 307a, 307b, 307c colocadas de tal manera que cada uno de por lo menos tres brazos accionadores operables tengan independientemente un extremo que está limitado para moverse a lo largo de una guía respectiva de por lo menos tres guías lineales 307a, 307b, 307c. En algunas modalidades, por lo menos tres guías lineales 307a, 307b, 307c pueden ser por lo menos una de unidas a, o integradas con, el componente base 302. El componente base 302, la plataforma móvil 304 y el montaje de traslación 306 juntos pueden formar, por ejemplo, un mecanismo deltaico lineal.

El robot de control cooperativo 300 incluye además un montaje de herramienta 308 conectado con la plataforma móvil 304, y un sistema de control (no mostrado) configurado para comunicarse con el montaje de traslación 306 para controlar el movimiento de la plataforma móvil 304 en respuesta a las fuerzas de un usuario aplicadas a por lo menos una porción del robot de control cooperativo 300. El sistema de control en esta modalidad puede ser similar a o sustancialmente igual según lo descrito en la modalidad de la figura 11.

En algunas modalidades, el montaje de traslación 306 puede incluir además por lo menos tres motores (no mostrados), cada uno conectado operativamente con un brazo respectivo de por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables 312, 314, 316. Por lo menos tres motores pueden soportarse por medio del componente base 302 de tal manera que la plataforma móvil 304 esté libre de moverse sin soportar el peso de los motores.

Cada uno de por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables 312, 314, 316 incluye un par de miembros estructurales interconectados (como los pares 324, 326 para el brazo accionador 314) colocados para formar un perfil de paralelogramo (por ejemplo, con los miembros cruzados) que es variable en oblicuidad durante la operación.

El montaje de herramienta 308 puede incluir un sujetador de herramienta 332 y un montaje de giro de herramienta 334 conectado operativamente con el sujetador de herramienta 332. El montaje de giro de herramienta 334 proporciona por lo menos dos y opcionalmente tres grados de libertad de giro para una herramienta 336 cuando se sujeta en el sujetador de herramienta 332. Sin embargo, los conceptos generales de la presente invención no se limitan al montaje de herramienta particular 308 de las figuras 16-19. La herramienta 336 puede ser una herramienta sin modificar en algunas modalidades. En algunas modalidades, el robot de control cooperativo 300 puede ser un robot quirúrgico, por ejemplo, pero sin limitarse a, un robot microquirúrgico, y la herramienta 336 puede ser, por ejemplo, una herramienta quirúrgica sin modificar. Sin embargo, los conceptos generales de la presente invención no se limitan solamente a los robots quirúrgicos, y no se limitan solamente a las herramientas sin modificar.

En operación, el usuario agarra la herramienta 336 para manipularla para la cirugía, la fabricación o cualquier otro procedimiento conveniente de manipulación. Un par de ejemplos puede incluir, pero sin limitarse a, microcirugía o fabricación de microprecisión. Uno o más sensores de fuerza se usan para detectar las fuerzas aplicadas del usuario de tal manera que el sistema de control haga que la plataforma móvil 304 y el montaje de herramienta 308 se muevan de una manera deseada. Por ejemplo, el movimiento puede aumentar para permitir la micromanipulación así como para realizarse de una manera sin obstáculos para reducir los efectos del temblor de la mano. El sistema de control puede incluir la función de preprograma como, por ejemplo, pero sin limitarse a, las zonas de seguridad que no pueden ser cruzadas, o a las áreas de manipulación definidas. El sistema de control también puede incluir, por ejemplo, un grado de automatización, o de semiautomatización de las tareas.

En algunas modalidades, el componente base 302 puede configurarse para unir a una estructura de soporte. La estructura de soporte puede ser igual que, o similar a, por ejemplo, la estructura de soporte 202 de la modalidad de la figura 12. En otras modalidades, la estructura de soporte puede ser, por ejemplo, uno o más barandales. Sin embargo, los conceptos generales de la presente invención no se limitan a los ejemplos particulares de las estructuras de soporte descritas.

La figura 20 es una ilustración de un sistema robótico 400 de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. El sistema robótico 400 incluye los robots de control cooperativo de la estructura de soporte 402, el primer y el segundo robot de control cooperativo (404, 406) conectados con la estructura de soporte 402, y un sistema de control (no mostrado) adaptado para comunicarse con el primer y el segundo robot de control cooperativo (404, 406). Cada uno del primer y del segundo robot de control cooperativo 404 y 406, respectivamente, puede ser cualquier robot de control cooperativo de acuerdo con la presente invención. En el ejemplo de la figura 20, el primer y el segundo robot de control cooperativo 404 y 406 son similares a, o iguales que, el robot de control cooperativo 300.

En la modalidad de la figura 20, la estructura 402 de soporte es un lecho de operación que incluye un primer carril de lecho 410 y un segundo carril de lecho 412.

La figura 20 ilustra otra modalidad de dos robots de control cooperativo colocados de tal manera que, por ejemplo, las herramientas pueden usarse cerca juntas y en una configuración sustancialmente paralela. Aunque el sistema robótico 400 se muestre con dos robots de control cooperativo, los conceptos generales de la presente invención no se limitan al sistema con solamente dos robots de control cooperativo. Por ejemplo, los sistemas robóticos que tienen tres o más robots de control cooperativo pueden incluirse en otras modalidades.

En algunas modalidades, los sistemas robóticos de acuerdo con la presente invención, pueden incluir además un dispositivo de entrada de usuario adaptado para comunicarse con el sistema de control para por lo menos uno de interrumpir o de complementar el control cooperativo. Por ejemplo, el sistema robótico 400 puede incluir un dispositivo de entrada de usuario 414 en algunas modalidades. El dispositivo de entrada de usuario 414 se puede ser, por ejemplo, pero sin limitarse a, un pedal.

Tal como se describió anteriormente, algunas modalidades de la presente invención incluyen dos robots de control cooperativo. Los robots de control cooperativo pueden colocarse de modo que un cirujano pueda operarlo con ambas manos, proporcionando así la capacidad quirúrgica a dos manos. En algunas modalidades, el sistema podía incluir un paradigma de control cooperativo manual, similar a los robots "fijos" JHU. En este caso, un sensor de fuerza unido al sujetador de herramienta, o a una manija de control unida al sujetador de herramienta o a la herramienta quirúrgica en sí, detectaría las fuerzas ejercidas del cirujano en la herramienta, y el controlador de robot haría que el robot se mueva para adaptarse a estas fuerzas. En este caso, el cirujano puede tener la impresión en cuanto a que está manipulando la herramienta más o menos de la misma manera como en la cirugía normal. Pero puesto que el robot está haciendo el movimiento real de la herramienta, no habrá, o por lo menos se reducirá sustancialmente, el temblor de la mano. También, si el cirujano suelta la herramienta, la herramienta puede simplemente detener su movimiento, en lugar de caer como en la cirugía normal.

Los sistemas robóticos de acuerdo con algunas modalidades también ser teleoperarse desde los brazos de control principales como aquellos usados para controlar el robot quirúrgico DaVinci o desde los brazos de control principales más simples como los brazos de Sensable Technology Omni, o desde las múltiples palancas de mando, o desde otros brazos de control principales. En este caso, las fuerzas ejercidas en las herramientas detectadas en los sensores de fuerza pueden "retroalimentarse" a los brazos de control principales para proporcionar la retroalimentación háptica o para de otra manera modificar el movimiento del robot. También, los modos de control pueden mezclarse o intercambiarse entre el control de teleoperación y el control cooperativo manual.

Además, los robots pueden programarse para realizar los movimientos simples bajo el control semiautónomo o supervisado. En este caso, el cirujano manipularía una o ambas herramientas para alcanzar una relación deseada de herramienta a tejido y después para dar instrucciones al robot para que realice uno o más movimientos autónomos, dentro de un volumen limitado, mientras el cirujano lo supervisa. Un ejemplo de este comportamiento pudo ser la inserción exacta de una aguja o de un dispositivo de inyección a distancia (pequeña) fija en el tejido, deteniéndose si un sensor excede un valor de umbral.

El control cooperativo se refiere a la manera en la cual los robots constantes de pulso firme son controlados. El cirujano y el robot sujetan la herramienta (o el cirujano sujeta un mango unido al mango de la herramienta). El robot detecta las fuerzas ejercidas del cirujano y se mueve para adaptarse al movimiento. Las siguientes referencias describen algunos conceptos generales del control cooperativo, que se incorporan en la presente por referencia: R. Kumar, T. Goradia, A. Barnes, P. Jensen, L. Whitcomb, D. Stoianovici, L. Auer, y R. Taylor, "Performance of Robotic Augmentation in Microsurgery-Scale Motions", en 2nd Int. Symposium on Medical Image Computing and Computer-Assisted Surgery, Cambridge, Inglaterra, 19-22 de septiembre de 1999. pp. 1108-1115.

R. H. Taylor, P. Jensen, L. L. Whitcomb, A. Barnes, R. Kumar, D. Stoianovici, P. Gupta, Z. X. Wang, E. deJuan, y L. R. Kavoussi, "A Steady-Hand Robotic System for Microsurgical Augmentation", International Journal of Robotics Research, vol. 18- 12, 1999.

Kapoor, R. Kumar, y R. Taylor, "Simple Biomanipulation Tasks with a "Steady Hand" Cooperative Manipulator", en Proceedings of the Sixth International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention — MICCAI 2003, Montreal, 15-18 de noviembre de 2003. pp. 141-148. lordachita, A. Kapoor, B. Mitchell, P. Kazanzides, G. Hager, J. Handa, y R. Taylor, "Steady-Hand Manipulator for Retinal Surgery", en MICCAI Workshop on Medical Robotics, Copenhagen, 5 de octubre de 2006. pp. 66-73.

Cualquiera de los modos de control descritos anteriormente puede modificarse por medio de los "accesorios virtuales" para limitar adicionalmente el movimiento de los robots. Estos "accesorios virtuales" pueden derivarse de las limitaciones cinemáticas (por ejemplo, para implementar un "centro remoto virtual de movimiento" para una herramienta. La discusión adicional de los métodos para proporcionar tales accesorios virtuales puede encontrarse en las siguientes referencias, que se incorporan en la presente por referencia: J. Funda, R. Taylor, B. Eldridge, S. Gomory, y K. Gruben, "Constrained Cartesian motion control for teleoperated surgical robots", IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 12- 3, pp.453-466, 1996.

Patente Americana 5,887,121, J. Funda y R. H. Taylor, "Method of constrained Cartesian control of robotic mechanisms with active and passive joints", presentada el 18 de febrero de 1999, emitida el 1 de mayo de 2001.

M. Li y R. H. Taylor, "Spatial Motion Constraints in Medical Robots Using Virtual Fixtures Generated by Anatomy", en IEEE Conf. on Robotics and Automation, New Orleans, abril de 2004. pp. 1270-1275.

M. Li, A. Kapoor, y R. Taylor, "A Constrained Optimization Approach to Virtual Fixtures", en IEEE/RSJ Int Conf on Intelligent Robots and Systems (IROS), Edmonton, Alberta, Canadá, 2005, pp. 2924-2929 M. Li y R. H. Taylor, "Performance of Teleoperated and cooperatively controlled surgical robots with automatically generated spatial virtual fixtures", en IEEE International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, España, 2005 A. Kapoor, N. Simaan, y R. H. Taylor, "Telemanipulation of Snake-Like Robots for Minimally Invasive Surgery of the Upper Airway", en MICCAI Medical Robotics Workshop, Copenhagen, octubre, 2006. pp. 17-25.

M. Li, M. Ishii, y R. H. Taylor, "Spatial Motion Constraints in Medical Robot Using Virtual Fixtures Generated by Anatomy", IEEE Transactions on Robotics, vol. 23-1, pp. 4-19, 2007.

M. Li, A. Kapoor, y R. H. Taylor, "Telerobot Control by Virtual Fixtures for Surgical Applications", en Advances in Telerobotics Human Interfaces, Bilateral Control and Applications, M. Ferré, M. Buss, R. Aracil, C. Melchiorri, y C. Balaguer, Eds., 2007, pp. 381-401.

A. Kapoor, Motion Constrained Control of Robots for Dexterous Surgical Tasks, Ph.D. thesis ¡n Computer Science, Johns Hopkins University, Baltimore, 2007.

A. Kapoor y R. Taylor, "A Constrained Optimization Approach to Virtual Fixtures for Multi-Handed Tasks", en IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Pasadena, 19-23 de mayo de 2008. pp. 3401-3406.

N. Simaan, K. Xu, A. Kapoor, W. Wei, P. Kazanzides, P. Flint, y R. Taylor, "Design and Integration of a Telerobotic System for inimally Invasive Surgery of the Throat", Int. J. Robotics Research (publicación especial acerca de la robótica médica), vol. 28- 9, pp. 1134-1 153, junio, 2009. h ttp : //ij r.sagepub.eom/cg i/con ten t/abstract/28/9/1134 DO I 10.1177/0278364908104278, P C2772168.

Los instrumentos quirúrgicos estándar podrían ajustarse con los adaptadores de modo que pudieran insertarse rápidamente en y retirarse del sujetador de instrumento del robot. Algunas modalidades de la presente invención pueden usar, por ejemplo, fibra de carbono, aluminio, y otros materiales rígidos ligeros. Los tres motores de impulsión de traslación pueden implementarse usando los servomotores de DC con, por ejemplo, los codificadores ópticos y los cabezales de engranaje armónicos para minimizar el contragolpe. El grado de libertad de inclinación se podría ejecutar usando un mecanismo a base de tornillo de bajo contragolpe como un tornillo de cabeza redonda. El grado de libertad de volteo puede acoplarse al eje impulsor usando un mecanismo de reducción de relación de engranaje de bajo contragolpe como, por ejemplo, una correa dentada, o a una cadena. Si la reducción adicional es necesaria, una pequeña caja de engranajes armónica puede usarse en el extremo del eje impulsor. Los ejes impulsores pueden implementarse usando los acoplamientos estriados o el eje estriado para minimizar el contragolpe. Los empalmes universales con los cojinetes de aguja capaces de operar a por lo menos 30 grados de desviación pueden usarse en los extremos de los ejes impulsores.

En otras modalidades, también puede ser posible teleoperar remotamente el sistema usando una estación principal como la consola daVinci o teleoperarlo localmente usando los dispositivos más simples como un Omni Phantom o una palanca de mando. En este caso, puede ser posible usar el sensor de fuerza incorporado para proporcionar la retroalimentación de fuerza de las fuerzas de la herramienta al cirujano.

En otras modalidades, también puede ser posible integrar los instrumentos de alta destreza adaptados, como los instrumentos articulados que usa el sistema daVinci, en lugar de los instrumentos quirúrgicos existentes.

En otras modalidades, más grados de libertad pueden agregarse usando los ejes impulsores adicionales, pequeños motores directamente en el efector final, o un cierto otro método de transmisión de energía, como, por ejemplo, el método neumático.

Los ejes impulsores pueden configurarse de otras maneras, como con dos ejes concéntricos, o ambos ejes excéntricos impulsores acoplados con las cadenas, las correas o los cables a los mecanismos de inclinación/volteo.

Pueden usarse otros métodos de transmisión de energía desde los ejes a los mecanismos de inclinación/volteo (cadenas, engranajes, cables, correas, etcétera).

El mecanismo de inclinación puede implementarse de muchas maneras, como una conexión de 4 barras impulsado por medio de un accionador lineal tal como se ilustra en los dibujos, una conexión impulsada por medio de un accionador giratorio, o impulsado directamente por medio de un accionador giratorio usando la cadena, el cable, la polea, u otro acoplamiento. También puede usarse un centro remoto de la conexión de movimiento como en el robot ocular 2.

En otras modalidades, los montajes robóticos de control de herramienta adicionales pueden agregarse para proporcionar la asistencia robótica a más de un usuario, o para proporcionar el control de más instrumentos para un usuario.

Un robot adicional puede agregarse para controlar un dispositivo de visualización, tal como un endoscopio flexible o rígido.

Para agregar rigidez, también sería posible implementar el mecanismo deltaico en los accionadores con cuatro conexiones, como en el Quattro Adept (figura 7 izquierda media).

Dependiendo de la aplicación, puede ser geométricamente ventajoso usar la variante lineal del mecanismo deltaico en los robots.

Referencias 1. Cooper et al. "Offset remote center manipulator for robotic surgery". Patente 7,594,912. 29 de septiembre de 2009. 2. Taylor, Russell et al. "Remote center-of-motion robot for surgery". Patente 5,397,323. 30 de octubre de 1992. 3. Clavel, Reymond. "Device for the movement and positioning of an element in space". Patente Americana 4,976,582. 11 de diciembre de 1990. 4. Mian Bonev. "Delta Parallel Robot — the Story of Success". http://www.parallemic.org/Reviews/Review002.html. mayo de 2001. 5. Y. Tsumaki, H. Naruse, D. N. Nenchev, y M. Uchiyarna. Design of a Compact 6-DQF Haptic Interface. Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation Leuven, Belgium - mayo de 1998 6. Leuth et al. "A surgical robot for maxillofacial surgery". IEEE Industrial Electronics Conference. 1998. 7. Kinoshita et al. "Parallel Link Robot". Patente Americana 2011/0097184 A1. 28 de abril de 2011.

Las modalidades ilustradas y discutidas en esta especificación se proponen solamente para enseñar a los expertos en la técnica a cómo hacer y usar la invención. En las modalidades descritas de la invención, la terminología específica se emplea por motivos de claridad. Sin embargo, la invención no se propone para limitarse a la terminología específica seleccionada de tal manera. Las modalidades descritas anteriormente de la invención pueden modificarse o variarse, sin apararse de la invención, según lo que aprecian los expertos en la técnica gracias a las enseñanzas anteriores. Por lo tanto, debe entenderse que, dentro del alcance de las reivindicaciones y de sus equivalentes, la invención puede practicarse de otra manera a la descrita específicamente.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un robot de control cooperativo, que comprende: un componente base; una plataforma móvil colocada próxima a dicho componente base; un montaje de traslación conectado operativamente a dicho componente base y dicha plataforma móvil y configurado para mover dicha plataforma móvil con los grados de libertad de translación sustancialmente sin el giro con respecto a dicho componente base; un montaje de herramienta conectado con dicha plataforma móvil; y un sistema de control configurado para comunicarse con dicho montaje de traslación para controlar el movimiento de dicha plataforma móvil en respuesta a las fuerzas de un usuario aplicadas a por lo menos una porción de dicho robot de control cooperativo, donde dicho montaje de traslación comprende por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables, cada uno conectado con una posición separada de dicha plataforma móvil.

2. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho montaje de traslación comprende además por lo menos tres motores, cada uno conectado operativamente con un brazo respectivo de por lo menos tres dichos brazos accionadores independientemente operables, donde cada uno de por lo menos tres dichos motores se soporta por medio de dicho componente base de tal manera que dicha plataforma móvil esté libre para moverse sin soportar el peso de dichos motores.

3. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 1, donde cada uno de por lo menos tres dichos brazos accionadores operables comprende independientemente un par de miembros estructurales interconectados colocados para formar un perfil de paralelogramo que es variable en oblicuidad durante la operación.

4. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 1, donde por lo menos tres dichos brazos accionadores independientemente operables son brazos articulados.

5. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 3, donde por lo menos tres dichos brazos accionadores independientemente operables son brazos articulados.

6. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho montaje de traslación comprende además por lo menos tres guías lineales colocadas de tal manera que cada uno de por lo menos tres dichos brazos accionadores independientemente operables tiene un extremo que está limitado para moverse a lo largo de una guía respectiva de por lo menos tres dichas guías lineales.

7. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 6, donde por lo menos tres dichas guías lineales son por lo menos uno de unidas a, o integradas con, dicho componente base.

8. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho componente base se adapta para montarse a un puntal de carga superior.

9. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho componente base se adapta para montarse a un barandal.

10. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 7, donde dicho componente base se adapta para montarse a un puntal de carga superior.

11. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 7, donde dicho componente base se adapta para montarse a un barandal.

12. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho montaje de herramienta comprende un sujetador de herramienta y un montaje de giro de herramienta conectado con dicho sujetador de herramienta, y donde dicho montaje de giro de herramienta proporciona por lo menos dos grados de libertad de giro para orientar una herramienta cuando se sujeta por medio de dicho sujetador de herramienta.

13. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 1, que adicionalmente comprende un sensor de fuerza unido a dicho sujetador de herramienta para medir por lo menos un componente de fuerza aplicado a una herramienta cuando se sujeta por medio de dicho sujetador de herramienta.

14. Un robot de control cooperativo de acuerdo con la reivindicación 13, donde dicho sensor de fuerza es un sensor de fuerza de seis grados de libertad.

15. Un sistema robótico, que comprende: una estructura de soporte; un primer y un segundo robots de control cooperativo conectados con dicha estructura de soporte; y un sistema de control adaptado para comunicarse con el primer y el segundo robot de control cooperativo, donde cada uno del primer y del segundo robot de control cooperativo comprende: un componente base conectada con dicha estructura de soporte, una plataforma móvil colocada próxima a dicho componente base, una montaje de traslación conectado operativamente a dicho componente base y dicha plataforma móvil y configurado para mover dicha plataforma móvil con los grados de libertad de translación sustancialmente sin el giro con respecto a dicho componente base, y un montaje de herramienta conectado con dicha plataforma móvil, donde dicho sistema de control se configura para controlar el movimiento de cada dicha plataforma móvil en respuesta a las fuerzas de un usuario aplicadas a por lo menos una porción de un robot correspondiente del primer y del segundo robot de control cooperativo, y donde cada dicho montaje de traslación comprende por lo menos tres brazos accionadores independientemente operables, cada uno conectado con una posición separada de dicha plataforma móvil.

16. Un sistema robótico de acuerdo con la reivindicación 15, donde dicha estructura de soporte comprende un puntal de carga superior.

17. Un sistema robótico de acuerdo con la reivindicación 16, donde dicha estructura de soporte comprende un segundo puntal de carga superior unido de manera giratoria a dicho primer puntal de carga superior.

18. Un sistema robótico de acuerdo con la reivindicación 15, donde dicha estructura de soporte comprende un barandal.

19. Un sistema robótico de acuerdo con la reivindicación 18, donde dicha estructura de soporte comprende un segundo barandal, y donde dicho primer robot de control cooperativo está conectado con el primer barandal y dicho segundo robot de control cooperativo está conectado con dicho segundo barandal.

20. Un sistema robótico de acuerdo con la reivindicación 15, que adicionalmente comprende un dispositivo de entrada de usuario adaptado para comunicarse con dicho sistema de control para por lo menos uno de interrumpir o de complementar el control cooperativo debido a dichas fuerzas que aplica dicho usuario.

21. Un sistema robótico de acuerdo con la reivindicación 20, donde dicho dispositivo de entrada de usuario es un pedal.