PL74409Y1 - Urządzenie do podtrzymywania i manipulowania instrumentarium medycznym - Google Patents

Description

Opis wzoru Przedmiotem wzoru uzytkowego jest urzadzenie pomocnicze do podtrzymywania i manipulowa- nia instrumentarium medycznym, posiadajace co najmniej siedem stopni swobody, znajdujace zastoso- wanie w medycznych zabiegach inwazyjnych, a w szczególnosci w operacjach maloinwazyjnych oraz biopsji narzadów jamy brzusznej i klatki piersiowej.

Znane sa ramienia robotyczne do zastosowan przemyslowych, dostepne np. pod marka Kas- sow Robots, https://www.kassowrobots.com/. posiadajace siedem stopni swobody, realizowanych przez siedem osi obrotu.

Z publikacji CN104385265A znany jest robot o nadmiarowym stopniu swobody. Robot zawiera czesc ciala wyposazona w urzadzenie napedowe, dwie czesci ramienia i czesci reczne robota zamonto- wane na tylnych koncach czesci ramienia, przy czym dwie czesci ramienia zawieraja siedem czesci prze- gubowych, a osie sasiednich dwóch czesci przegubowych sa do siebie prostopadle. Robot ma siedem stopni swobody na czesciach ramion i moze realizowac odpowiednie ulozenia w wielu procesach ruchu.

Rozwiazanie z siedmioma stopniami swobody znane jest równiez z publikacji US4828453A, w której opisano modulowa konstrukcje kinematycznego ramienia manipulatora. Ramie obejmuje staw barkowy, lokciowy i nadgarstkowy, zapewniajace po dwa stopnie swobody i dodatkowo element do ob- racania nadgarstka. Na elemencie do obracania nadgarstka jest zamontowany efektor koncowy, bedacy dowolnym narzedziem do sprzegania i/lub manipulowania przedmiotami.

Manipulator o wielu stopniach swobody znany jest równiez z publikacji CN106393074A.

Celem wzoru uzytkowego jest opracowanie takiej konstrukcji urzadzenia do podtrzymywania i manipulowania instrumentarium medycznym, by przy zachowaniu stalego umiejscowienia koncówki roboczej w przestrzeni, mozliwe bylo zlozenie, badz przesuniecie odpowiednich laczników urzadzenia.

Przesuniecie poszczególnych laczników urzadzenia pozwoli wyeliminowac problemy ograniczania pola manewrowego oraz kolizyjnosci z inna aparatura medyczna i personelem medycznym wykonujacym zabieg medyczny. Powyzej wskazane problemy wystepuja przy zastosowaniu urzadzen o strukturze kinematycznej nieredundantnej, zatem opracowana konstrukcja powinna posiadac co najmniej siedem osi obrotu, przynajmniej jedna nadmiarowa w stosunku do ilosci osi obrotu niezbednych do zachowania stalego umiejscowienia koncówki roboczej w przestrzeni. Ze wzgledu na przeznaczenie do zastosowan medycznych urzadzenie powinno charakteryzowac sie kompaktowa budowa.

Powyzsze cele realizuje urzadzenie do podtrzymywania i manipulowania instrumentarium me- dycznym, posiadajace centralna jednostke sterowania i wyposazone w baze mocujaca, na której zabu- dowany jest pierwszy serwomechanizm i na której osadzony jest obrotowo drugi lacznik, wprawiany w ruch obrotowy przez pierwszy serwomechanizm o osi obrotu zbieznej z osia drugiego lacznika. Ko- lejno, na drugim laczniku urzadzenia zabudowany jest drugi serwomechanizm o osi obrotu prostopadlej wzgledem osi obrotu pierwszego serwomechanizmu i kolejno, na drugim laczniku osadzony jest obro- towo trzeci lacznik, wprawiany w ruch typu pochylenie przez drugi serwomechanizm. Kolejno, na trzecim laczniku zabudowany jest trzeci serwomechanizm i kolejno, na trzecim laczniku osadzony jest obrotowo czwarty lacznik, wprawiany w ruch obrotowy przez trzeci serwomechanizm o osi obrotu zbieznej z osia czwartego lacznika. Kolejno, na czwartym laczniku zabudowany jest czwarty serwomechanizm o osi obrotu prostopadlej wzgledem osi obrotu trzeciego serwomechanizmu i kolejno, na czwartym laczniku osadzony jest obrotowo piaty lacznik, wprawiany w ruch typu pochylenie przez czwarty serwomecha- nizm. Kolejno, na piatym laczniku zabudowany jest piaty serwomechanizm i kolejno, na piatym laczniku osadzony jest obrotowo szósty lacznik, wprawiany w ruch obrotowy przez piaty serwomechanizm o osi obrotu zbieznej z osia szóstego lacznika.

Istota urzadzenia jest to, ze na szóstym laczniku zabudowany jest szósty serwomechanizm o osi obrotu prostopadlej wzgledem osi obrotu piatego serwomechanizmu i kolejno, na zakonczeniu szóstego lacznika osadzony jest obrotowo siódmy lacznik, wprawiany w ruch typu pochylenie przez szósty serwomechanizm.

Kolejno, na siódmym laczniku zabudowany jest siódmy serwomechanizm i kolejno, na siódmym laczniku osadzony jest obrotowo ósmy lacznik wprawiany w ruch obrotowy przez siódmy serwomecha- nizm o osi obrotu zbieznej z osia ósmego lacznika. Ósmy lacznik zakonczony jest plyta montazowa dla koncówki roboczej. Urzadzenie posiada przynajmniej jeden przycisk funkcyjny do wyzwalania w serwo- mechanizmach znajdujacych sie w lacznikach sygnalu do ich obrotu wokól przypisanych im osi obrotu Wariantowo urzadzenie posiada drugi przycisk funkcyjny, przy czym pierwszy przycisk funkcyjny za- programowany jest do wyzwalania ruchu laczników, przesuwajac je w jedna strone, natomiast drugi przycisk funkcyjny zaprogramowany jest do wyzwalania ruchu laczników, przesuwajac je w strone przeciwna.

W centralnej jednostce sterowania zaimplementowany jest model symulacyjny urzadzenia obli- czajacy wartosc momentu sily niezbednej do utrzymania w miejscu albo poruszania odpowiednim ser- womechanizmem, co przeliczane jest na wartosci natezenia pradu, którym zasilane sa uzwojenia silni- ków znajdujacych sie w serwomechanizmach. Serwomechanizmy wyposazone sa w uklad kontrolno- pomiarowy do ciaglego monitorowania wartosci natezenia pradu. Po zalaczeniu przycisku funkcyjnego, mozliwe jest automatyczne wyzwolenie obrotu serwomechanizmów i zmiana polozenia poszczególnych laczników. Dla rozróznienia kierunku przesuwu (odsuniecie/przysuniecie) laczników urzadzania, przy- cisk funkcyjny ma zaprogramowane komendy wyzwalane np. odmiennym sposobem jego zalaczania.

W modelu symulacyjnym zaimplementowanym w centralnej jednostce sterowania okreslona moze byc wartosc graniczna natezenia pradu, interpretowana jako przylozenie sily zewnetrznej do przesuniecia laczników, przy czym algorytm stosujacy wartosc graniczna natezenia pradu wywolywany zostaje zala- czeniem przycisku funkcyjnego. Gdy uklad kontrolno-pomiarowy do ciaglego monitorowania wartosci natezenia pradu w serwomechanizmach wykryje przekroczenie wartosci granicznej natezenia pradu w serwomechanizmie, silniki znajdujace sie w serwomechanizmach zasilane sa odpowiednio mniej- szymi wartosciami natezenia, przy jednoczesnych zaimplementowanych w algorytmie wartosciach na- tezenia pradu w serwomechanizmach odpowiedzialnych za utrzymanie koncówki roboczej w bezruchu.

Urzadzenie pozwala, po zalaczeniu przycisku funkcyjnego, na reczna zmiane polozenia poszcze- gólnych laczników, co w niektórych sytuacjach jest rozwiazaniem bardziej intuicyjnym. Mianowicie prze- suniecie kolidujacych laczników nastepuje po ich pchnieciu/przyciagnieciu przez uzytkownika. W tym przypadku przycisk funkcyjny nie musi miec zaprogramowanych komend dla rozróznienia kierunku za- mierzonego przesuwu, wystarczy zwykle jego przycisniecie.

Serwomechanizmy wyposazone moga byc w czujniki momentu sily, które zintegrowane sa z obu- dowa. Zastosowanie czujników momentu sily wspomaga szybszy i latwiejszy obrót serwomechanizmów i zmiane polozenia laczników, gdyz sygnal o wykryciu dzialania sily zewnetrznej jest przekazywany bez- posrednio centralnej jednostce sterowania, w której z kolei generowany jest sygnal wyzwalajacy zasto- sowanie algorytmu umozliwiajacego przesuniecie laczników, poprzez odpowiednie obnizenie i dostoso- wanie poziomów natezenia pradu zasilajacego silniki poszczególnych serwomechanizmów.

Gdy urzadzenie posiada drugi przycisk funkcyjny, to pierwszy przycisk funkcyjny zaprogramo- wany jest do wyzwalania ruchu laczników, przesuwajac je w jedna strone, natomiast drugi przycisk funkcyjny zaprogramowany jest do wyzwalania ruchu laczników, przesuwajac je w strone przeciwna.

W przypadku, gdy urzadzenie posiada drugi przycisk funkcyjny, to zarówno w wariancie, gdy przesuw ma odbywac sie automatycznie jak i recznie, wyzwolenie algorytmu umozliwiajacego przesuw w okreslona strone (odsuniecie/przysuniecie), nastepuje po zalaczeniu odpowiedniego przycisku.

Dodatkowo zwraca sie uwage, na róznice w mocowaniu siódmego lacznika, np. w porównaniu z ra- mieniem robotycznym Kassow Robots. W obecnym wynalazku siódmy lacznik zamocowany jest bezpo- srednio i obrotowo na zakonczeniu szóstego lacznika, natomiast w ramieniu Kassow Robots do zakon- czenia odpowiadajacego mu piatego lacznika zamocowany jest sztywno dodatkowy, prostopadly don, lacznik posredni. Do jego zakonczenia zamocowany jest obrotowo lacznik szósty. Konstrukcja urzadzenia wedlug wzoru uzytkowego jest zatem bardziej kompaktowa, co jest istotna cecha, biorac pod uwage me- dyczne zastosowanie urzadzenia i co sie z tym wiaze – fakt jednoczesnego wystepowania wielu dodatko- wych urzadzen, albo koniecznosc udostepnienia przestrzeni dla personelu medycznego.

Postacie urzadzenia wedlug obecnego wzoru uzytkowego przedstawione zostaly ponizej i na za- laczonym rysunku, na którym: Fig. 1 przedstawia urzadzenie z jednym przyciskiem funkcyjnym, realizujacym przesuw automa- tyczny, wyposazone we wskaznik swietlny informujacy o wywolanym kierunku przesuwu; Fig. 2 przedstawia urzadzenie z jednym przyciskiem funkcyjnym, realizujacym przesuw reczny; Fig. 3 przedstawia urzadzenie w wariancie z dwoma przyciskami funkcyjnymi w innej pozycji niz przedstawiono na Fig. 2 i Fig. 3; Fig. 4 przedstawia urzadzenie z zamocowanym uchwytem dla kamery laparoskopowej badz na- rzedzia do operacji maloinwazyjnych; Fig. 5 przedstawia urzadzenie z zamocowana prowadnice dla igly przeznaczonej do wykonywa- nia badania biopsji.

Poszczególne serwomechanizmy okreslone sa ich osiami obrotu.

Postac 1 Urzadzenie do podtrzymywania i manipulowania instrumentarium medycznym, przedstawione na Fig. 1, posiada centralna jednostke sterowania i wyposazone jest w baze mocujaca 1, na której za- budowany jest pierwszy serwomechanizm o pionowej osi obrotu 101 i na której osadzony jest obrotowo drugi lacznik 2, wprawiany w ruch przez pierwszy serwomechanizm. Kolejno, na drugim laczniku 2 za- budowany jest drugi serwomechanizm o poziomej osi obrotu 102, prostopadlej do osi obrotu 101 i na drugim laczniku 2 osadzony jest obrotowo trzeci lacznik 3, wprawiany w ruch przez drugi serwomecha- nizm. Kolejno, na trzecim laczniku 3 zabudowany jest trzeci serwomechanizm o osi obrotu 103, prosto- padlej do osi obrotu 102 i na trzecim laczniku 3 osadzony jest obrotowo czwarty lacznik 4, wprawiany w ruch przez trzeci serwomechanizm. Kolejno, na czwartym laczniku 4 zabudowany jest czwarty ser- womechanizm o osi obrotu 104 prostopadlej do osi obrotu 103 i na czwartym laczniku 4 osadzony jest obrotowo piaty lacznik 5, wprawiany w ruch przez czwarty serwomechanizm. Kolejno, na piatym lacz- niku 5 zabudowany jest piaty serwomechanizm o osi obrotu 105, prostopadlej do osi obrotu 104 i ko- lejno, na piatym laczniku 5 osadzony jest obrotowo szósty lacznik 6, wprawiany w ruch przez piaty serwomechanizm. Kolejno, na szóstym laczniku 6 zabudowany jest szósty serwomechanizm o osi ob- rotu 106, prostopadlej do osi obrotu 105 i na zakonczeniu szóstego lacznika 6 osadzony jest obrotowo siódmy lacznik 7, wprawiany w ruch przez szósty serwomechanizm. Kolejno, na siódmym laczniku 7 zabudowany jest siódmy serwomechanizm o osi obrotu 107, prostopadlej do osi obrotu 106 i na siód- mym laczniku 7 osadzony jest obrotowo ósmy lacznik 8, wprawiany w ruch przez siódmy serwomecha- nizm. Ósmy lacznik 8 zakonczony jest plyta montazowa 9 dla koncówki roboczej 11. Przeguby obrotowe osloniete sa opaskami maskujacymi 12. Urzadzenie posiada przycisk funkcyjny 10a do wyzwalania w serwomechanizmach znajdujacych sie w lacznikach 2 do 7 sygnalu do ich obrotu wokól przypisanych im osi obrotu 101 do 107, wedlug obliczonej optymalnej trajektorii ruchu dokonanej przez centralna jednostke sterowania. Wyzwolenie ruchu laczników 2 do 7 w wybrana strone nastepuje automatycznie, odpowiednio po jednokrotnym, albo dwukrotnym przycisnieciu przycisku funkcyjnego 10a, tj. jedno- krotne przycisniecie powoduje przesuw laczników 2 do 7 w jedna strone, a dwukrotne – w strone prze- ciwna. Mozliwe sa do stosowania inne komendy wyzwalajace przesuw laczników 2–7 w odpowiednia strone jednym przyciskiem funkcyjnym, przykladowo moze to byc odpowiednio krótkie i dluzsze przy- trzymanie. Informacja o wywolanym kierunku przesuwu wyswietlana jest na wskazniku swietlnym 13, wykonanym na laczniku 8. W centralnej jednostce sterowania zaimplementowany jest model symula- cyjny urzadzenia obliczajacy wartosc momentu sily, niezbednej do utrzymania w miejscu albo porusza- nia odpowiednim serwomechanizmem, co przeliczane jest na wartosci natezenia pradu, którym zasilane sa uzwojenia silników znajdujacych sie w serwomechanizmach, a serwomechanizmy wyposazone sa uklad kontrolno-pomiarowy do ciaglego monitorowania wartosci natezenia pradu.

Postac 2 Konstrukcja urzadzenia w tym wariancie, przedstawionym na Fig, jest analogiczna, jak po- staci 1, z tym ze w modelu symulacyjnym zaimplementowanym w centralnej jednostce sterowania jest okreslona wartosc graniczna natezenia pradu, interpretowana jako przylozenie sily zewnetrznej do prze- suniecia laczników 2 do 7. Algorytm stosujacy wartosc graniczna natezenia pradu wywolywany zostaje zalaczeniem przycisku funkcyjnego 10a. W tym wariancie wykonania, w przeciwienstwie do wariantu z przykladu 1, nie ma potrzeby stosowania wskaznika swietlnego. Co do zasady przyjmuje sie, ze uzyt- kownik bedzie chcial przyciagnac urzadzenie badz je odsunac, przykladajac sile do laczników 4, albo 5.

Gdy uklad kontrolno-pomiarowy do ciaglego monitorowania wartosci natezenia pradu w serwomecha- nizmach wykryje przekroczenie wartosci granicznej natezenia pradu w serwomechanizmie, silniki znaj- dujace sie w serwomechanizmach zasilone zostana odpowiednio mniejszymi wartosciami natezenia, przy jednoczesnych zaimplementowanych w algorytmie wartosciach natezenia pradu w serwomecha- nizmach odpowiedzialnych za utrzymanie koncówki roboczej 11 w bezruchu. Serwomechanizmy znaj- dujace sie w lacznikach 2 do 7 obracaja sie wokól przypisanych im osi obrotu 101 do 107, wedlug obliczonej optymalnej trajektorii ruchu dokonanej przez centralna jednostke sterowania. Serwomecha- nizmy wyposazone moga byc w czujniki momentu sily, które zintegrowane sa z obudowa.

Postac 3 W tym wariancie, przedstawionym na Fig. 3, konstrukcja urzadzenia jest jak postac 1 i urzadzenie przystosowane jest do automatycznego przesuwu laczników 2–7, przy czym wyposazone jest w dwa5 przyciski funkcyjne 10a i 10b do wyzwalania w serwomechanizmach znajdujacych sie w lacznikach 2 do 7 sygnalu do ich obrotu wokól przypisanych im osi obrotu 101 do 107, wedlug obliczonej optymalnej trajektorii ruchu dokonanej przez centralna jednostke sterowania. Jeden przycisk funkcyjny 10a zapro- gramowany jest do wyzwalania ruchu laczników 2 do 7, przesuwajac je w jedna strone, natomiast drugi przycisk funkcyjny 10b zaprogramowany jest do wyzwalania ruchu laczników 2 do 7 przesuwajac je w strone przeciwna. W przypadku zamiaru zmiany polozenia urzadzenia, jego laczników, w zaleznosci od tego, czy laczniki te maja zostac przysuniete/odsuniete, wlacza sie przycisk funkcyjny 10a albo 10b, co powoduje automatyczny przesuw w wybrana strone. W tym wariancie stosowanie wskaznika swietl- nego jest opcjonalne.

Postac 4 Urzadzenie, przedstawione na Fig. 4 wykonane jest jak poprzednie postacie z koncówka robo- cza 11 w postaci uchwytu dla kamery laparoskopowej badz narzedzia do operacji maloinwazyjnych.

Postac 5 Urzadzenie, przedstawione na Fig. 5 wykonane jest jak poprzednie postacie z koncówka robo- cza 11 w postaci prowadnicy dla igly przeznaczonej do wykonywania badania biopsji.

Urzadzenie wykonane wedlug dowolnego wariantu powyzej podlega fabrycznej kalibracji uwzgledniajacej masy laczników, koncówki roboczej i napedów i ponadto obliczane sa bledy wynikajace z szumu sygnalów. Na podstawie tych danych wyznaczane sa indywidualnie zakresy natezenia pradu, w których serwomechanizmy sa podatne na oddzialywanie sil zewnetrznych.

Claims (2)

Zastrzezenia ochronne

1. Urzadzenie do podtrzymywania i manipulowania instrumentarium medycznym, posiadajace centralna jednostke sterowania i wyposazone w baze mocujaca, na której zabudowany jest pierwszy serwomechanizm i na której osadzony jest obrotowo drugi lacznik, wprawiany w ruch obrotowy przez pierwszy serwomechanizm o osi obrotu zbieznej z osia drugiego lacznika i ko- lejno, na drugim laczniku zabudowany jest drugi serwomechanizm o osi obrotu prostopadlej wzgledem osi obrotu pierwszego serwomechanizmu i kolejno, na drugim laczniku osadzony jest obrotowo trzeci lacznik, wprawiany w ruch typu pochylenie przez drugi serwomechanizm i kolejno, na trzecim laczniku zabudowany jest trzeci serwomechanizm i kolejno, na trzecim laczniku osadzony jest obrotowo czwarty lacznik, wprawiany w ruch obrotowy przez trzeci ser- womechanizm o osi obrotu zbieznej z osia czwartego lacznika i kolejno, na czwartym laczniku zabudowany jest czwarty serwomechanizm o osi obrotu prostopadlej wzgledem osi obrotu trzeciego serwomechanizmu i kolejno, na czwartym laczniku osadzony jest obrotowo piaty lacznik, wprawiany w ruch typu pochylenie przez czwarty serwomechanizm i kolejno, na pia- tym laczniku zabudowany jest piaty serwomechanizm i kolejno, na piatym laczniku osadzony jest obrotowo szósty lacznik, wprawiany w ruch obrotowy przez piaty serwomechanizm o osi obrotu zbieznej z osia szóstego lacznika, znamienne tym, ze na szóstym laczniku (6) zabu- dowany jest szósty serwomechanizm o osi obrotu (106) prostopadlej wzgledem osi obrotu (105) piatego serwomechanizmu i kolejno, na zakonczeniu szóstego lacznika (6) osadzony jest obrotowo siódmy lacznik (7), wprawiany w ruch typu pochylenie przez szósty serwome- chanizm i kolejno, na siódmym laczniku (7) zabudowany jest siódmy serwomechanizm i ko- lejno, na siódmym laczniku (7) osadzony jest obrotowo ósmy lacznik (8) wprawiany w ruch obrotowy przez siódmy serwomechanizm o osi obrotu zbieznej z osia ósmego lacznika i ósmy lacznik (8) zakonczony jest plyta montazowa (9) dla koncówki roboczej (11) i ponadto urza- dzenie posiada przynajmniej jeden przycisk funkcyjny (10a) do wyzwalania w serwomechani- zmach znajdujacych sie w lacznikach (2 do 7) sygnalu do ich obrotu wokól przypisanych im osi obrotu (101 do 107).

2. Urzadzenie wedlug zastrz. 1 znamienne tym, ze posiada drugi przycisk funkcyjny (10b), przy czym pierwszy przycisk funkcyjny (10a) jest do wyzwalania ruchu laczników (2 do 7) w jedna strone, natomiast drugi przycisk funkcyjny (10b) jest do wyzwalania ruchu laczników (2 do 7) w strone przeciwna.