PL208430B1 - Manipulator, zwłaszcza manipulator robota medycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest manipulator, zwłaszcza manipulator robota medycznego, przydatny w szczególności w medycynie podczas wykonywania operacji kardiochirurgicznych z wykorzystaniem mechanicznych robotów medycznych.

Wraz z rozwojem techniki bardziej powszechne staje się wykorzystywanie mechanicznych robotów podczas wykonywania zabiegów medycznych, w tym operacji chirurgicznych. Dzięki temu chirurg ma większy komfort wykonywania czynności podczas przeprowadzania operacji, a czynności te zgodnie z postawionymi wymaganiami są bardzo precyzyjne i niezależne od manualnych predyspozycji chirurga.

Manipulator, aby mógł spełniać swoje zadania, musi być wyposażony w narzędzia chirurgiczne posiadające odpowiednią ilość stopni swobody. Znane narzędzia mają zasadniczo postać zbliżoną do tulei, której jeden koniec osadzony jest na końcu ramienia manipulatora, zaś drugi zakończony jest strukturą przegubową z zamocowanymi na niej instrumentami chirurgicznymi. Instrumenty chirurgiczne połączone są z blokiem napędowym zlokalizowanym w rejonie końca ramienia manipulatora za pośrednictwem układu cięgien.

Generalnie znane są dwa rozwiązania układu przeniesienia napędu z silników napędowych na poszczególne elementy instrumentów chirurgicznych narzędzia. Zgodnie z pierwszym z nich układ napędowy wyposażony w silnik oraz przekładnię połączony jest z instrumentami narzędzia za pomocą sztywnych cięgien zwanych popychaczami. Taka konstrukcja zapewnia wymaganą sztywność układu przenoszenia napędu. Cały układ kinematyczny napędu ma bardzo niewielką podatność, dzięki czemu możliwe jest wierne odwzorowanie ruchów zadajnika. Niedogodnością tego rozwiązania jest ograniczona do jednego lub dwóch liczba stopni swobody w układzie przeniesienia napędu, zwłaszcza ze względu na wymagane małe gabaryty urządzenia. W związku z tym ograniczony jest również zakres ruchu narzędzi, których dochodzi do około 20° na każdym stopniu swobody. Chociaż taka konstrukcja ma prostą budowę i jest niezawodna, to ograniczony zakres pracy powoduje, że nie można jej wykorzystać przy skomplikowanych procedurach chirurgicznych.

Drugie rozwiązanie układu przeniesienia napędu realizowane jest za pomocą cięgien podatnych, w szczególności linek. Konstrukcja ta, polegająca na połączeniu układu napędowego z ruchomymi członami narzędzia podatnymi linkami przebiegającymi przez system obrotowych rolek, zapewnia narzędzie o wielu stopniach swobody oraz dużym zakresie ruchu, przez co uzyskuje się zwiększenie możliwości pracy takim narzędziem. Niedogodnością tego rozwiązania jest mała dokładność ruchów instrumentów chirurgicznych ze względu na rozciąganie się linek w miarę eksploatacji, co skutkuje znaczną podatnością układu oraz histerezą w układzie przeniesienia napędu.

Celem wynalazku jest opracowanie manipulatora, który zapewni przeniesienie napędu do narzędzia roboczego na znacznej długości, około 50 centymetrów, przy wielu stopniach swobody i zachowaniu trwałości i precyzji ruchu.

Wynalazek dotyczy manipulatora, zwłaszcza manipulatora robota medycznego, który ma postać sterowanego niezależnego ramienia wyposażonego w zespół napędowy z silnikiem i przekładnią oraz w narzę dzie chirurgiczne usytuowane na wolnym roboczym ko ń cu ramienia. Narzę dzie to ma postać tulei osadzanej w korpusie ramienia, przy czym wolny koniec tulei zakończony jest zespołem przegubowym z zamocowanym na nim instrumentem chirurgicznym połączonym z zespołem napędowym przy pomocy układu cięgien.

Istota manipulatora według wynalazku polega na tym, że zespół napędowy połączony jest z końcem co najmniej jednego wzdłużnego sztywnego pręta pełniącego funkcję popychacza, zaś drugi koniec tego wzdłużnego pręta połączony jest przy wolnym końcu narzędzia z jednymi końcami co najmniej dwóch cięgien podatnych. Drugie końce tych cięgien połączone są z zespołem przegubowym zakończonym elementem wykonawczym, korzystnie instrumentem chirurgicznym, przy czym cięgna podatne przebiegają przez układ obrotowych rolek.

Zasadnicza zaleta wynalazku polega na tym, że konstrukcja manipulatora zapewnia dużą sztywność układu przeniesienia napędu przy jednoczesnym zachowaniu możliwości napędzania wielu stopni swobody i dużym zakresie ruchu zespołu przegubowego.

W korzystnym wykonaniu manipulator posiada trzy lub cztery wzdłu żne pręty pełniące rolę popychaczy, zapewniające odpowiednio trzy lub cztery stopnie swobody zespołu przegubowego, co umożliwia duży zakres ruchu instrumentów chirurgicznych i możliwość dowolnej ich orientacji. Przez to w znacznym stopniu uł atwione jest przeprowadzanie wszelkich zabiegów chirurgicznych.

PL 208 430 B1

Dodatkowo celowym jest, gdy pierwszy koniec każdego wzdłużnego pręta połączony jest w zespole napędowym z elementem pośrednim, a ten element pośredni połączony jest rozłącznie z suwakiem osadzonym przesuwnie liniowo wzdłuż osi tulei narzędzia chirurgicznego. Ponadto suwak połączony jest ruchowo z silnikiem przez przekładnię. Dzięki temu można w prosty sposób odłączać narzędzie od bloku napędowego, co z kolei umożliwia jego sterylizację.

W takim wykonaniu najlepiej jest, gdy elementy pośrednie mają postać tulei z zamkiem na ich osiowosymetrycznej powierzchni zewnętrznej, a także mają wykonane przelotowe otwory umożliwiające suwliwe przemieszczanie się wewnątrz nich wzdłużnych prętów. Zamek umożliwia przeniesienie napędu w sytuacji, gdy tuleja z narzędziem jest obrotowa. Wówczas można wyposażyć narzędzie w dodatkowy stopień swobody jakim jest obrót tulei wokół jej osi.

Wynalazek został bliżej zilustrowany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wzdłużny przez koniec ramienia manipulatora wraz z narzędziem i instrumentem chirurgicznym, fig. 2 - element pośredni w widoku z boku, fig. 3 - przekrój A-A z fig. 2, zaś fig. 4 - powiększony fragment z fig. 1.

Sterowane ramię 1 manipulatora ma korpus 2 zawierający zespół napędowy 3 w postaci silnika napędowego 4, z którego napęd przenoszony jest przez przekładnię zębatą 5 i przekładnię śrubowo toczną 6 na suwak 7. Poza tym w korpusie 2 umieszczony jest jeden koniec narzędzia chirurgicznego 8. Suwak 7 jest sprzężony rozłącznie z elementem pośrednim 9 poprzez zamek 10 zlokalizowany na zewnętrznej osiowosymetrycznej powierzchni 11 elementu pośredniego 9. Dodatkowo element pośredni 9 posiada szereg osiowo przebiegających otworów 12. W jednym z otworów 12 elementu pośredniego 9 zamocowany jest wzdłużny pręt 13 pełniący rolę popychacza, zaś przez pozostałe otwory 9 przechodzą kolejne wzdłużne pręty 13, odpowiadające za pozostałe stopnie swobody. Wzdłużny pręt 13 jest połączony przy swoim drugim końcu z pierwszymi końcami pary cięgien 14 i 15. Przedmiotowe cięgna 14 i 15 przewinięte są przez rolki 16, a cięgno 14 dodatkowo przez rolkę 17. Drugie końce cięgien 14 i 15 są połączone z napędzanym zespołem przegubowym 18, który zakończony jest instrumentem chirurgicznym 19. Napęd na pozostałe człony zespołu przegubowego 18 przenoszony jest analogicznie.

Claims (4)

1. Manipulator, zwłaszcza manipulator robota medycznego, mający postać sterowanego niezależnego ramienia wyposażonego w zespół napędowy z silnikiem oraz przekładnią, a także w narzędzie chirurgiczne usytuowane na wolnym roboczym końcu ramienia, które to narzędzie ma postać tulei osadzanej w korpusie ramienia, przy czym wolny koniec tulei zakończony jest zespołem przegubowym z zamocowanym na nim instrumentem chirurgicznym połączonym z zespołem napędowym, przy pomocy układu cięgien, znamienny tym, że zespół napędowy (3) połączony jest z końcem co najmniej jednego wzdłużnego sztywnego pręta (13) pełniącego funkcję popychacza, zaś drugi koniec tego sztywnego pręta (13) połączony jest przy wolnym końcu narzędzia (8) z jednymi końcami co najmniej dwóch podatnych cięgien (14, 15), a drugie końce tych cięgien (14, 15) połączone są z zespołem przegubowym (18) zakończonym elementem wykonawczym, korzystnie instrumentem chirurgicznym (19), przy czym cięgna podatne (14, 15) przebiegają przez układ obrotowych rolek (16,17).

2. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada trzy lub cztery sztywne pręty (13), pełniące funkcję popychaczy i zapewniające odpowiednio trzy lub cztery stopnie swobody zespołu przegubowego (18).

3. Manipulator według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwszy koniec każdego wzdłużnego pręta (13) połączony jest w zespole napędowym (3) z elementem pośrednim (9), który połączony jest rozłącznie z suwakiem (7) osadzonym liniowo przesuwnie wzdłuż osi tulei narzędzia chirurgicznego (8), przy czym suwak (7) połączony jest ruchowo z silnikiem (4) przez przekładnie (5, 6).

4. Manipulator według zastrz. 3, znamienny tym, że elementy pośrednie (9) mają postać tulei z zamkiem (10) na ich osiowosymetrycznej powierzchni zewnętrznej (11) oraz mają wykonane przelotowe otwory (12) umożliwiające suwliwe przemieszczanie się wewnątrz nich wzdłużnych prętów (13).