RU2636853C2 - End effector with hinge assembly and endoscopic surgical apparatus drive - Google Patents
End effector with hinge assembly and endoscopic surgical apparatus drive Download PDFInfo
- Publication number
- RU2636853C2 RU2636853C2 RU2016117105A RU2016117105A RU2636853C2 RU 2636853 C2 RU2636853 C2 RU 2636853C2 RU 2016117105 A RU2016117105 A RU 2016117105A RU 2016117105 A RU2016117105 A RU 2016117105A RU 2636853 C2 RU2636853 C2 RU 2636853C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- end effector
- drive
- shaft
- flexible shaft
- control mechanism
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
- A61B17/28—Surgical forceps
- A61B17/29—Forceps for use in minimally invasive surgery
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Ophthalmology & Optometry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Surgical Instruments (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Группа изобретений относится к медицинской технике, в частности к эндоскопическому хирургическому аппарату, способному манипулировать хирургическим инструментом в телероботизированной системе, и приводу указанного хирургического аппарата. Настоящая группа изобретений может быть применима в традиционном инструментарии для эндоскопической и открытой хирургии, а также применимо в хирургии с применением робототехники.The group of inventions relates to medical equipment, in particular to an endoscopic surgical device capable of manipulating a surgical instrument in a teleobotized system, and the drive of the specified surgical device. The present group of inventions may be applicable in traditional instruments for endoscopic and open surgery, as well as applicable in surgery using robotics.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Известен концевой эффектор (RU 2546957 С1, опубл. 10. 04.2015), где задача сведения-разведения рабочих частей хирургического инструмента решается механизмом управления приводом через ходовой механизм, содержащим передачу типа «винт-гайка». Функцию винта выполняет ходовой винт с элементами крепления рычагов ходового механизма, функцию гайки - коническая шестерня с резьбовой втулкой. Механическая часть, регулирующая положение инструмента, работает по принципу преобразования вращательного движения передачи «винт-гайка» в возвратно-поступательное движение, передающее это движение на рычаги сведения-разведения рабочей части концевого эффектора.Known end effector (RU 2546957 C1, publ. 10. 04.2015), where the task of information-breeding of the working parts of a surgical instrument is solved by the drive control mechanism through a running gear containing a screw-nut transmission. The function of the screw is carried out by the lead screw with fastening elements of the levers of the running gear, the function of the nut is a bevel gear with a threaded sleeve. The mechanical part that regulates the position of the tool works on the principle of converting the rotational movement of the screw-to-nut gear into a reciprocating motion that transfers this motion to the information-breeding levers of the working part of the end effector.
Недостатками данного технического решения являются:The disadvantages of this technical solution are:
- сложность изготовления мелкомодульной конической шестерни (m=0,3);- the complexity of manufacturing a small-module bevel gear (m = 0.3);
- мелкий модуль ограничивает возможность повышения передачи крутящего момента из-за малого диаметра и низких прочностных характеристик зуба конической шестерни;- the small module limits the possibility of increasing the transmission of torque due to the small diameter and low strength characteristics of the bevel gear tooth;
- высокий коэффициент трения в передаче «винт-гайка» на диаметре резьбы М2 и соответственно большая вероятность заклинивания хода.- high coefficient of friction in the transmission "screw-nut" on the thread diameter M2 and, accordingly, a high probability of jamming of the stroke.
Известна конструкция механизма управления концевым эффектором с помощью шарнирного узла состоящего из трех шарниров, каждый из которых имеет одну степень свободы (W=1) (RU 2541829 С1, опубл. 20.02.2015).A known design of the control mechanism of the end effector using a hinge assembly consisting of three hinges, each of which has one degree of freedom (W = 1) (RU 2541829 C1, publ. 02.20.2015).
Управление каждым шарниром и вращение концевого эффектора с инструментом производится червячным редуктором, состоящим из независимых червячных пар. Каждое червячное колесо жестко соединено со своим приводным валом. Приводные валы расположены коаксиально, имеют разные диаметры, длину и передают крутящие моменты к соответствующим зубчатым коническим шестерням шарниров. Вал, управляющий концевым эффектором, представляет собой карданный вал.Each hinge and the rotation of the end effector with the tool are controlled by a worm gear consisting of independent worm pairs. Each worm wheel is rigidly connected to its drive shaft. The drive shafts are coaxial, have different diameters, lengths and transmit torques to the corresponding bevel gears of the hinges. The shaft controlling the end effector is a cardan shaft.
Отклонение от оси каждого шарнира составляет ±75° во взаимно перпендикулярных плоскостях, вращение шарнира с концевым эффектором возможно на 360° в любом направлении вокруг собственной оси.The deviation from the axis of each hinge is ± 75 ° in mutually perpendicular planes, rotation of the hinge with an end effector is possible 360 ° in any direction around its own axis.
Указанное техническое решение обладает следующими недостатками:The specified technical solution has the following disadvantages:
- сложность конструкции, изготовления и сборки;- the complexity of the design, manufacture and assembly;
- относительно большие габариты корпусов шарниров, обусловленные тем, что в каждом корпусе необходимо разместить дифференциальную коническую передачу, необходимую для его отклонения от оси;- the relatively large dimensions of the hinge bodies, due to the fact that in each case it is necessary to place a differential bevel gear necessary for its deviation from the axis;
- сложность в соблюдении соосности корпусов шарниров и межосевого расстояния пары конических зубчатых колес, что прямо влияет на плавность хода и возникновения недопустимых люфтов в зацеплении;- the difficulty in maintaining the alignment of the hinge bodies and the center distance of a pair of bevel gears, which directly affects the smoothness and the occurrence of unacceptable backlash in the mesh;
- малый (недостаточный) угол отклонения корпусов шарниров и соответственно концевого эффектора с инструментом, что усложняет работу хирурга в операционном поле;- a small (insufficient) angle of deviation of the hinge bodies and, accordingly, the end effector with the tool, which complicates the work of the surgeon in the surgical field;
- невозможность вращения концевого эффектора с инструментом относительно своей оси в отклоненном положении корпуса шарнира;- the inability to rotate the end effector with the tool about its axis in the deviated position of the hinge body;
- червячные передачи являются самотормозящимися (при обратном ходе ведомый вал не может провернуть ведущий из-за малого угла подъема винтовой линии), т.е. при возможном экстренном выводе инструмента через троакар разведенные рабочие части инструмента и корпуса шарниров будут оказывать препятствие движению, т.к. останутся в рабочем, несоосном положении;- the worm gears are self-braking (during the reverse stroke, the driven shaft cannot rotate the drive shaft due to the small angle of elevation of the helix), i.e. in case of a possible emergency withdrawal of the instrument through the trocar, the divorced working parts of the instrument and the hinge bodies will obstruct the movement, as will remain in a working, misaligned position;
- каждый шарнир имеет по одной степени свободы (W=1).- each hinge has one degree of freedom (W = 1).
Также известно устройство (US 2014214049 А1, опубл. 31.07.2014), относящееся к малоинвазивной хирургии и состоящее из концевого эффектора с хирургическим инструментом и шарнирной секцией, по оси которой расположен вал, сообщающий ручным механизмом привода возвратно-поступательное движение связанным с ним тягам инструмента, обеспечивая открытие/закрытие его рабочих частей. Сферические элементы шарнирной секции соединены через промежуточные кольца и имеют пазы в форме канавки, позволяющие шарнирам двигаться друг относительно друга в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при соответствующем натяжении системы тросов жестко закрепленных на корпусе концевого эффектора.It is also known a device (US 2014214049 A1, publ. 31.07.2014) related to minimally invasive surgery and consisting of an end effector with a surgical instrument and a hinged section, the axis of which is a shaft that communicates with the manual drive mechanism the reciprocating movement of the associated tool rods , providing opening / closing of its working parts. The spherical elements of the hinge section are connected through intermediate rings and have grooves in the form of grooves that allow the hinges to move relative to each other in two mutually perpendicular planes with the corresponding tension of the cable system rigidly fixed to the end effector casing.
К недостаткам можно отнести следующее:The disadvantages include the following:
- сложная конструкция и технология изготовления шарнирной секции, включающая в себя: промежуточные кольца, направляющие штифты, пазы на сферической поверхности и, как следствие, ограниченный (малый) угол отклонения шарниров;- a complex design and manufacturing technology of the hinge section, including: intermediate rings, guide pins, grooves on a spherical surface and, as a result, a limited (small) angle of deviation of the hinges;
- отсутствует осевое вращение концевого эффектора с инструментом при различных углах наклона шарниров, что существенно снижает оперативные возможности хирурга в операционном поле;- there is no axial rotation of the end effector with the tool at different angles of inclination of the hinges, which significantly reduces the surgical capabilities of the surgeon in the surgical field;
- представленная конструкция разработана исключительно для работы с ручным приводом и не предназначена для роботизированного мехатронного хирургического комплекса.- the presented design is designed exclusively for manual operation and is not intended for a robotic mechatronic surgical complex.
Наиболее близким аналогом хирургического эндоскопического устройства является шарнирный хирургический инструмент для эндоскопических процедур (US 2014058363 А1, 27.02.2014), который состоит из спусковой ручки, с помощью которой осуществляется управление, соединительного корпуса, жестко связанного с гибкой шарнирной секцией, внутри которого проходит гибкий толкатель и тросы для управления углом отклонения концевого эффектора, вращением концевого эффектора и смыканием/размыканием инструмента. В корпусе спусковой ручки расположены два двигателя для управления натяжением тросов, определяющих положение гибкой секции, и замковый узел, позволяющий менять тип инструмента в ходе операции, а также предотвращающий использование инструмента свыше установленного количества применений.The closest analogue to a surgical endoscopic device is a hinged surgical instrument for endoscopic procedures (US 2014058363 A1, February 27, 2014), which consists of a trigger handle with which to control, a connecting body, rigidly connected to a flexible hinged section, inside of which a flexible pusher passes and cables for controlling the angle of deviation of the end effector, the rotation of the end effector and the closing / opening of the tool. In the trigger housing there are two motors for controlling the tension of the cables that determine the position of the flexible section, and a locking assembly that allows you to change the type of tool during the operation, as well as preventing the use of the tool over a specified number of applications.
Недостатками технического решения являются:The disadvantages of the technical solution are:
- гибкая секция выполнена в виде сегментов из плоских цилиндров с небольшой конусностью по противоположным торцам, т.е. жесткость конструкции и точность движения сегментов не может быть обеспечена только четырьмя тросами, проходящими через отверстия, расположенными по периферии во взаимно перпендикулярных плоскостях, и гибким валом, проходящим через отверстие в центре сегмента с определенным зазором, наличие которого также не дает возможности жесткой фиксации сегментов относительно оси;- the flexible section is made in the form of segments of flat cylinders with a slight taper at opposite ends, i.e. the rigidity of the structure and the accuracy of movement of the segments cannot be ensured by only four cables passing through holes located at the periphery in mutually perpendicular planes, and a flexible shaft passing through the hole in the center of the segment with a certain gap, the presence of which also does not allow rigid fixation of the segments relative to axis
- невозможность применения устройства для роботизированного мехатронного хирургического комплекса из-за отсутствия устройства сопряжения с модульной конструкцией.- the inability to use the device for a robotic mechatronic surgical complex due to the lack of a device for interfacing with a modular design.
В уровне техники также известен приводной механизм хирургического эндоскопического устройства (RU 2541829 С1, опубл. 20.02.2015), состоящий из четырех независимых червячных редукторов, расположенных в корпусе, и системы коаксиально расположенных телескопических приводных валов. Каждый вал передает крутящий момент на соответствующий шарнирный узел и управляющий механизм концевого эффектора. Три червячные пары обеспечивают работу шарнирного узла: отклонение шарниров от оси, вращение вала с концевым эффектором; четвертая пара преобразует вращательное движение ведомого колеса в возвратно-поступательное движение ходового винта, жестко соединенного с приводным валом обеспечивая сведение/разведение инструмента концевого эффектора.The prior art also knows the drive mechanism of a surgical endoscopic device (RU 2541829 C1, publ. 02.20.2015), consisting of four independent worm gears located in the housing, and a system of coaxially located telescopic drive shafts. Each shaft transmits torque to the corresponding hinge assembly and control mechanism of the end effector. Three worm pairs ensure the operation of the hinge assembly: deviation of the hinges from the axis, rotation of the shaft with an end effector; the fourth pair converts the rotational movement of the driven wheel into the reciprocating motion of the spindle, rigidly connected to the drive shaft providing the mixing / dilution of the tool end effector.
Недостатками известного приводного механизма являются:The disadvantages of the known drive mechanism are:
- ограничение по времени сведения/разведения рабочих частей инструмента концевого эффектора, которое находится в пределах 0,5 секунд, т.е. в рассматриваемом случае обеспечение скорости возвратно-поступательного движения ходового винта, жестко связанного с приводным валом и тягами рабочего инструмента, будет зависеть, во-первых, от передаточного отношения червячной пары, т.е. угловой скорости ведомого колеса червячной пары, во-вторых, от шага ходового винта, имеющего при диаметре М14 небольшую величину S=1.4 мм, что соответственно потребует применения электродвигателя с высоким числом оборотов и большей мощностью для преодоления трения винтовой передачи.- time limit information / breeding of the working parts of the tool end effector, which is within 0.5 seconds, i.e. in the case under consideration, ensuring the speed of the reciprocating motion of the lead screw rigidly connected with the drive shaft and the rods of the working tool will depend, firstly, on the gear ratio of the worm pair, i.e. the angular speed of the driven wheel of the worm pair, and secondly, from the pitch of the spindle having a small value of S = 1.4 mm with a diameter of M14, which accordingly will require the use of an electric motor with a high speed and more power to overcome the friction of the helical gear.
- самоторможение, связанное с применением червячной пары, препятствует смыканию инструмента при экстренном выводе манипулятора из троакара, о чем уже выше упоминалось.- self-braking associated with the use of a worm pair prevents the tool from closing when the manipulator is urgently withdrawn from the trocar, as mentioned above.
Наиболее близким аналогом для механизма управления концевым эффектором хирургического эндоскопического инструмента, в частности приводного механизма, является (US 2010011900 А1, опубл. 21.01.2010), приводной механизм медицинского инструмента, включающий в себя первый вал привода; первый зубчатый компонент, включающий в себя рейку, находящуюся в зацеплении с первым валом привода так, что вращение первого вала привода перемещает первый зубчатый компонент, причем первый трос соединяется с первым зубчатым компонентом; первый рычаг, имеющий второй трос, соединенный с первым концом первого рычага, при этом второй конец первого рычага находится в контакте с первым зубчатым компонентом; второй вал привода; второй зубчатый компонент, включающий в себя рейку, находящуюся в зацеплении со вторым валом привода так, что вращение второго вала привода перемещает второй зубчатый компонент, причем третий трос соединяется со вторым зубчатым компонентом; второй рычаг, имеющий четвертый трос, соединенный с первым концом второго рычага, при этом второй конец второго рычага находится в контакте со вторым зубчатым компонентом, третий вал привода; и третий зубчатый компонент, включающий в себя первую ось шарнира, вокруг которой поворачивается первый рычаг и вторую ось шарнира, вокруг которой поворачивается второй рычаг, при этом третий зубчатый компонент находится в зацеплении с третьим валом привода так, что вращение третьего вала приводит к качанию третьего зубчатого компонента вокруг оси поворота.The closest analogue for the control mechanism of the end effector of a surgical endoscopic instrument, in particular the drive mechanism, is (US2010011900 A1, publ. 21.01.2010), the drive mechanism of a medical instrument, including the first drive shaft; a first gear component including a rack meshed with the first drive shaft so that rotation of the first drive shaft moves the first gear component, the first cable being connected to the first gear component; a first lever having a second cable connected to a first end of the first lever, wherein the second end of the first lever is in contact with the first gear component; second drive shaft; a second gear component including a rack meshing with the second drive shaft so that rotation of the second drive shaft moves the second gear component, the third cable being connected to the second gear component; a second lever having a fourth cable connected to the first end of the second lever, while the second end of the second lever is in contact with the second gear component, a third drive shaft; and a third gear component including a first hinge axis, around which the first lever rotates and a second hinge axis, around which the second lever rotates, while the third gear component is engaged with the third drive shaft so that the rotation of the third shaft causes the third to swing gear component around the axis of rotation.
Механизм управления концевым эффектором хирургического эндоскопического устройства может регулировать угол наклона запястного шарнира на дистальном конце основного вала с помощью приводного вала, соединенного с косозубой парой.The end effector control mechanism of the surgical endoscopic device can adjust the angle of the wrist joint at the distal end of the main shaft using a drive shaft connected to the helical pair.
Недостатками приводного механизма являются:The disadvantages of the drive mechanism are:
- сложная кинематическая связь и, как следствие, конструктивная сложность механизма привода;- complex kinematic connection and, as a result, the structural complexity of the drive mechanism;
- большая трудоемкость, связанная с изготовлением реечной передачи.- the great complexity associated with the manufacture of rack and pinion transmission.
Таким образом, существует потребность в снижении усилия, необходимого для приведения в действие концевого эффектора до уровня, который находится в пределах возможностей большей части хирургов; а также в усовершенствованных механизмах для управления перемещением и приведением в действие концевого эффектора на эндоскопическом хирургическом устройстве в ограниченном операционном поле, в упрощении сборки концевого эффектора и возможности применения устройства для роботизированного мехатронного хирургического комплекса.Thus, there is a need to reduce the effort required to actuate the end effector to a level that is within the capabilities of most surgeons; as well as in improved mechanisms for controlling the movement and actuation of the end effector on an endoscopic surgical device in a limited surgical field, in simplifying the assembly of the end effector and the possibility of using the device for a robotic mechatronic surgical complex.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей, на достижение которой направлена заявляемая группа изобретений, является создание усовершенствованного по сравнению с аналогами концевого эффектора эндоскопического хирургического аппарата, упрощенного в сборке, с гибкой шарнирной секцией из звеньев и с механизмом управления, позволяющим сочетать и реализовать различные функциональные возможности позиционирования концевого эффектора.The objective to which the claimed group of inventions is directed is to create an improved endoscopic surgical apparatus compared to analogues of the end effector, simplified in assembly, with a flexible hinged section of the links and with a control mechanism that allows you to combine and implement various functional possibilities of positioning the end effector.
Технический результат группы изобретения заключается в повышении точности позиционирования концевого эффектора в ограниченном операционном поле за счет использования определенной конструкции шарнирной секции из звеньев, позволяющей отклоняться концевому эффектору на необходимый угол, и механизма управления концевым эффектором, выполняющим одновременно возвратно-поступательное движение гибкого вала для обеспечения смыкания или размыкания рабочих частей хирургического инструмента и вращение концевого эффектора при различных углах отклонения шарнирной секции.The technical result of the group of the invention is to increase the accuracy of positioning of the end effector in a limited operating field by using a certain design of the hinged section of the links, allowing the end effector to deviate to the required angle, and the end effector control mechanism, which simultaneously performs reciprocating movement of the flexible shaft to ensure closing or opening the working parts of the surgical instrument and rotation of the end effector at various angles ah deviation hinge section.
Для достижения указанного технического результата предлагаемое хирургическое эндоскопическое устройство и привод для него выполнены следующим образом.To achieve the specified technical result, the proposed surgical endoscopic device and drive for it are made as follows.
Хирургическое эндоскопическое устройство содержит концевой эффектор, состоящий из корпуса, в котором расположен толкатель, соединенный с хирургическим инструментом; механизм управления концевым эффектором, который имеет гибкий вал, шарнирную секцию из звеньев и тросы; привод, который имеет механизм управления тросами и узел привода гибкого вала; при этом гибкий вал жестко соединен с одной стороны с валом привода, а с другой - с толкателем концевого эффектора; звенья выполнены со стыковочными конгруэнтными полусферическими поверхностями с отверстием по центру для гибкого вала и отверстиями на периферии звеньев для тросов; тросы связаны с одной стороны с механизмом управления тросами, а с другой - жестко закреплены на краевом звене шарнирной секции, закрепленном на корпусе концевого эффектора; при этом другое краевое звено шарнирной секции фиксировано на соединительном корпусе, внутри которого проходят гибкий вал, тросы и вал привода; механизм управления тросами сообщает тяговое усилие по меньшей мере одному тросу, а узел гибкого вала сообщает посредством вала привода вращательное движение гибкому валу и/или возвратно-поступательное движение гибкому валу и толкателю; при этом привод выполнен с возможностью одновременно осуществлять возвратно-поступательное и вращательные движения гибкого вала при заданных углах наклона шарнирной секции из звеньев.A surgical endoscopic device comprises an end effector consisting of a body in which a pusher is located connected to a surgical instrument; end effector control mechanism, which has a flexible shaft, a hinged section of links and cables; a drive that has a cable control mechanism and a flexible shaft drive assembly; wherein the flexible shaft is rigidly connected on one side to the drive shaft, and on the other, to the end effector pusher; links are made with connecting congruent hemispherical surfaces with a hole in the center for a flexible shaft and holes on the periphery of links for cables; the cables are connected on the one hand with the cable management mechanism, and on the other, are rigidly fixed to the edge link of the hinged section, mounted on the end effector casing; while the other edge link of the hinge section is fixed on the connecting housing, inside of which pass the flexible shaft, cables and the drive shaft; the cable control mechanism reports traction to at least one cable, and the flexible shaft assembly communicates through the drive shaft rotational motion to the flexible shaft and / or reciprocating motion to the flexible shaft and pusher; wherein the drive is configured to simultaneously perform reciprocating and rotational movements of the flexible shaft at given angles of inclination of the hinged section of the links.
В некоторых вариантах реализации гибкий вал содержит сердечник с навитой пружиной.In some embodiments, the flexible shaft comprises a core with a coil spring.
В некоторых вариантах реализации на краевом звене шарнирной секции выполнена кольцевая проточка, на которой с возможностью вращения вокруг своей оси располагается корпус концевого эффектора, при этом краевое звено зафиксировано на корпусе концевого эффектора фиксирующими штифтами.In some embodiments, an annular groove is made at the edge link of the hinge section, on which the end effector housing is rotatably rotated around its axis, while the edge link is fixed to the end effector housing with fixing pins.
В некоторых вариантах реализации толкатель выполнен в виде ступенчатого цилиндра, расположен в отверстии корпуса концевого эффектора и подпружинен возвратной пружиной.In some embodiments, the pusher is made in the form of a stepped cylinder, located in the hole of the end effector housing, and is spring-loaded with a return spring.
В некоторых вариантах реализации возвратная пружина установлена на нижней части толкателя меньшего диаметра в распор между гайкой регулировочной и толкателем концевого эффектора, при этом гайка регулировочная с наружной резьбой ввинчена в корпус концевого эффектора.In some embodiments, a return spring is installed on the lower part of the smaller pusher in a spacer between the adjusting nut and the end effector pusher, while the adjusting nut with the external thread is screwed into the end effector casing.
В некоторых вариантах реализации устройство дополнительно содержит узел сопряжения с приводом для взаимодействия с роботизированным мехатронным хирургическим комплексом, при этом узел сопряжения выполнен в виде шлицевых полумуфт, расположенных на корпусе привода.In some embodiments, the device further comprises an interface unit with a drive for interacting with a robotic mechatronic surgical complex, wherein the interface unit is made in the form of spline coupling halves located on the drive body.
Привод указанного выше хирургического эндоскопического устройства содержит механизм управления тросами и узел привода гибкого вала, при этом узел привода гибкого вала имеет независимые механизмы, приводимые в движение электродвигателями и обеспечивающие смыкание или размыкание рабочих частей хирургического инструмента концевого эффектора и вращательное движение концевого эффектора с хирургическим инструментом соответственно, и устройство, обеспечивающее раздельную или одновременную работу обоих механизмов, а механизм управления тросами имеет блоки натяжения тросов для отклонения концевого эффектора в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, приводимые в движение электродвигателями; при этом первый блок механизма управления тросами содержит соединенные тросами роликовый барабан, в котором тросы уложены навстречу друг другу, и направляющие ролики; а второй блок механизма управления тросами содержит последовательно соединенные тросами направляющие ролики, распределительный ролик и роликовый барабан; при этом механизм, обеспечивающий смыкание или размыкание рабочих частей хирургического инструмента концевого эффектора содержит цилиндрическую прямозубую зубчатую передачу в виде шестерни и колеса, причем колесо соединено с тягой направляющей вала привода, сопряженной с валом привода; устройство, обеспечивающее раздельную или одновременную работу независимых механизмов, выполнено в виде шлицевой муфты, состоящей из полого вала с пазом под шлиц и шлицевой вставки, жестко связанной с вкладышем вала направляющей и валом привода; а механизм, обеспечивающий вращательное движение концевого эффектора с хирургическим инструментом, содержит одноступенчатую косозубую зубчатую передачу в виде ведущего колеса и ведомого колеса, установленного на полом валу.The drive of the aforementioned surgical endoscopic device comprises a cable control mechanism and a flexible shaft drive unit, while the flexible shaft drive unit has independent mechanisms driven by electric motors and ensuring the closing or opening of the working parts of the surgical instrument of the end effector and the rotational movement of the end effector with the surgical instrument, respectively , and a device that provides separate or simultaneous operation of both mechanisms, and the control mechanism I with cables has blocks of cable tension for deflecting the end effector in two mutually perpendicular planes, driven by electric motors; wherein the first block of the cable control mechanism comprises a roller drum connected by cables, in which the cables are stacked towards each other, and guide rollers; and the second block of the cable control mechanism comprises guide rollers, a distribution roller and a roller drum connected in series with the cables; wherein the mechanism for locking or opening the working parts of the surgical instrument of the end effector comprises a spur gear in the form of a gear and a wheel, the wheel being connected to a thrust of the drive shaft guide coupled to the drive shaft; a device that provides separate or simultaneous operation of independent mechanisms is made in the form of a spline coupling, consisting of a hollow shaft with a groove for the spline and a spline insert, rigidly connected to the guide shaft insert and the drive shaft; and the mechanism providing rotational movement of the end effector with a surgical instrument contains a single-stage helical gear transmission in the form of a drive wheel and a driven wheel mounted on a hollow shaft.
В некоторых вариантах реализации на валу колеса цилиндрической прямозубой передачи установлена сошка, на осях которой закреплена тяга направляющей вала привода.In some embodiments, a bipod is mounted on the wheel shaft of the spur gear, on the axes of which a thrust of the drive shaft guide is fixed.
В некоторых вариантах реализации между вкладышем и валом привода установлена упорная втулка.In some embodiments, a thrust sleeve is installed between the liner and the drive shaft.
Соединение шарнирной секции из звеньев осуществляется через звенья, где каждое звено опирается своей полусферой в предыдущее и является опорой для последующего, и движение звеньев происходит строго по закону, описывающему сферическую поверхность. Дополнительная жесткость шарнирной секции обеспечивается гибким валом, жестко связанным с одной стороны с валом привода, с другой - с толкателем концевого эффектора, чем достигается точность позиционирования хирургического инструмента.The hinged section of the links is connected through the links, where each link is supported by its hemisphere in the previous one and is the support for the next, and the movement of the links occurs strictly according to the law that describes a spherical surface. Additional rigidity of the hinged section is provided by a flexible shaft rigidly connected on one side to the drive shaft and, on the other hand, with a pusher of the end effector, which ensures the accuracy of positioning of the surgical instrument.
Применение в конструкции шарнирной секции гибкого вала исключает заклинивание, обеспечивает плавность хода, возможность одновременного вращения концевого эффектора с хирургическим инструментом при угловых перемещениях φ=±90° (у аналога φ=±75°) и сведение/разведение рабочих частей хирургического инструмента.The use of a flexible shaft in the design of the hinged section eliminates jamming, ensures smooth running, the possibility of simultaneous rotation of the end effector with the surgical instrument at angular movements φ = ± 90 ° (for the analog φ = ± 75 °), and mixing / dilution of the working parts of the surgical instrument.
Конструкция шарнирной секции позволяет не ограничиваться двумя взаимно перпендикулярными плоскостями отклонения, так как полусферические шарниры могут отклоняться в любых плоскостях в зависимости от количества тросов.The design of the hinge section allows not to be limited to two mutually perpendicular deflection planes, since hemispherical joints can deviate in any planes depending on the number of cables.
Использование звеньев со стыковочными конгруэнтными полусферическими поверхностями в шарнирной секции существенно уменьшает ее длину (на 10 мм по сравнению с аналогами), уменьшает трение в соединении, увеличивает число степеней свободы шарнира W=2, общее для концевого эффектора W=6 (у аналога W=1 и W=4 соответственно), что предоставляет большие возможности в ограниченном операционном поле.The use of links with connecting congruent hemispherical surfaces in the hinged section significantly reduces its length (by 10 mm compared to analogues), reduces friction in the joint, increases the number of degrees of freedom of the hinge W = 2, common for the end effector W = 6 (for the analog W = 1 and W = 4, respectively), which provides great opportunities in a limited surgical field.
Установленная в корпус концевого эффектора возвратная пружина обеспечивает экстренный вывод хирургического инструмента через троакар. Указанная пружина при сведении рабочих частей хирургического инструмента срабатывает на сжатие и не препятствует выводу эндоскопического аппарата.A return spring installed in the body of the end effector provides an emergency output of the surgical instrument through the trocar. The specified spring when reducing the working parts of a surgical instrument is compressed and does not interfere with the output of the endoscopic apparatus.
Приводной механизм управления концевым эффектором хирургического эндоскопического устройства позволяет осуществлять угловые перемещения концевого эффектора в любых плоскостях, вращения концевого эффектора вокруг своей оси с хирургическим инструментом, сведения или разведения рабочих частей хирургического инструмента, сведение или разведение рабочих частей хирургического инструмента при различных углах отклонения концевого эффектора относительно продольной оси устройства и одновременное вращение концевого эффектора относительно своей оси в указанных угловых пределах.The drive mechanism for controlling the end effector of a surgical endoscopic device allows angular movements of the end effector in any planes, rotation of the end effector around its axis with the surgical instrument, information or dilution of the working parts of the surgical instrument, reduction or dilution of the working parts of the surgical instrument at different angles of deviation of the end effector relative to the longitudinal axis of the device and the simultaneous rotation of the end effector of the relative On its axis in the specified angular limits.
Использование одноступенчатого прямозубого редуктора позволило увеличить передаточное отношение до i=5, что позволяет создать большие усилия сжатия на рабочих поверхностях инструментов, что обеспечит более надежную фиксацию хирургических инструментов (игл, клипсов и т.д.) без увеличения мощности двигателя и существенно уменьшит трение в зацеплении по сравнению с аналогами.The use of a single-stage spur gearbox made it possible to increase the gear ratio to i = 5, which makes it possible to create large compression forces on the working surfaces of the instruments, which will provide more reliable fixation of surgical instruments (needles, clips, etc.) without increasing engine power and significantly reduce friction in gearing in comparison with analogues.
Использование шлицевой муфты, позволяющей одновременно осуществлять возвратно-поступательное движение направляющего вала и вала привода для обеспечения смыкания/размыкания рабочих частей хирургического инструмента и осуществлять вращение концевого эффектора при различных кренах шарнирной секции, позволит повысить точность позиционирования концевого эффектора.The use of a spline coupling, which allows simultaneous reciprocating motion of the guide shaft and the drive shaft to ensure the closing / opening of the working parts of the surgical instrument and to rotate the end effector with different rolls of the hinged section, will improve the accuracy of positioning of the end effector.
Таким образом, заявляемая конструкция концевого эффектора с шарнирной секцией хирургического эндоскопического устройства и привод в крайних угловых положениях обеспечивает устойчивость концевого эффектора, при угловых перемещениях обеспечивает плавность хода и исключает заклинивание, обеспечивает экстренный вывод хирургического инструмента через троакар, что увеличивает возможности использования указанного устройства в ограниченном операционном поле.Thus, the claimed design of the end effector with the hinged section of the surgical endoscopic device and the drive in extreme angular positions ensures the stability of the end effector, ensures smooth movement and prevents jamming during angular movements, provides emergency withdrawal of the surgical instrument through the trocar, which increases the possibility of using the specified device in a limited operating field.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертежах одинаковые позиции применяются для обозначения одинаковых частей.The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the present description, illustrate embodiments of the invention and, together with the above general description of the invention and the following detailed description of embodiments, serve to explain the principles of the present invention. In the drawings, like numbers are used to denote like parts.
На фиг. 1 представлен внешний вид механизма управления концевым эффектором.In FIG. 1 shows the appearance of the end effector control mechanism.
На фиг. 2 представлен общий вид с пространственным разделением деталей конструкции концевого эффектора и шарнирной секции.In FIG. 2 shows a general view with a spatial separation of the structural details of the end effector and the hinge section.
На фиг. 3A-3В изображена работа шарнирной секции с концевым эффектором.In FIG. 3A-3B illustrate the operation of a hinged section with an end effector.
На фиг. 3А представлен вид сбоку, изображающий шарнирный поворот концевого эффектора.In FIG. 3A is a side view showing an articulated rotation of the end effector.
На фиг. 3Б представлен вид, изображающий сведение или разведение рабочих частей хирургического инструмента, осуществляемое гибким валом, при шарнирном повороте концевого эффектора.In FIG. 3B is a view showing the reduction or dilution of the working parts of a surgical instrument, carried out by a flexible shaft, with articulated rotation of the end effector.
На фиг. 3В представлен вид, изображающий вращение корпуса концевого эффектора с хирургическим инструментом, при шарнирном повороте концевого эффектора.In FIG. 3B is a view showing rotation of an end effector body with a surgical instrument while articulating an end effector.
На фиг. 4 изображен детальный вид механизма привода.In FIG. 4 shows a detailed view of the drive mechanism.
На фиг. 5 представлена конструкция механизма, совмещающего возвратно-поступательное и вращательное движения приводного вала.In FIG. 5 shows the design of a mechanism combining reciprocating and rotational movements of the drive shaft.
ОБОЗНАЧЕНИЯNOTATION
Механизм управления концевым эффектором состоит из следующих узлов (фиг. 1):The end effector control mechanism consists of the following nodes (Fig. 1):
1 - Корпус управления приводом;1 - drive control housing;
2 - Корпус соединительный;2 - Connecting housing;
3 - Шарнирная секция;3 - hinged section;
4 - Концевой эффектор с хирургическим инструментом;4 - End effector with a surgical instrument;
5 - Шлицевая полумуфта.5 - Slotted coupling half.
Общий вид конструкции концевого эффектора и шарнирной секции (фиг. 2):General view of the design of the end effector and hinge section (Fig. 2):
6 - Трос;6 - Cable;
7 - Краевое звено шарнирной секции;7 - The edge link of the hinge section;
8 – Звено промежуточное;8 - Intermediate link;
9 - Краевое звено шарнирной секции;9 - The edge link of the hinge section;
10 - Клин;10 - Wedge;
11 - Гибкий вал;11 - Flexible shaft;
12 - Сердечник гибкого вала;12 - The core of the flexible shaft;
13 - Гайка регулировочная;13 - Adjusting nut;
14 - Пружина возвратная;14 - Spring return;
15 - Штифт;15 - pin;
16 - Корпус концевого эффектора;16 - Case end effector;
17 - Ось хирургического инструмента;17 - axis of the surgical instrument;
18 - Толкатель;18 - Pusher;
19 - Ось толкателя;19 - axis of the pusher;
20 - Тяга;20 - thrust;
21 - Штифт тяги;21 - thrust pin;
22 - Хирургический инструмент;22 - Surgical instrument;
23 - Вал привода.23 - Drive shaft.
Приводной механизм состоит из следующих деталей (фиг. 4):The drive mechanism consists of the following parts (Fig. 4):
24 - Основание корпуса;24 - the base of the housing;
25 - Шестерня ведущая прямозубая;25 - Lead spur gear;
26 - Рычаг;26 - Lever;
27 - Винт зажимной;27 - Clamping screw;
28 - Трос барабана В;28 - drum cable B;
29 - Ролик направляющий;29 - Guide roller;
30 - Колесо прямозубое;30 - Spur gear;
31 - Трос барабана Г;31 - Drum cable G;
32 - Ролик распределительный;32 - Distribution roller;
33 - Направляющая;33 - Guide;
34 - Сошка;34 - Bipod;
35 - Ось;35 - axis;
36 - Тяга направляющей.36 - Guide rod.
А - Прямозубая пара;A - Spur pair;
Б - Косозубая пара;B - helical pair;
В - Роликовый барабан;B - Roller drum;
Г - Роликовый барабан.G - Roller drum.
Механизм, совмещающий возвратно-поступательное и вращательное движения вала привода (фиг. 6):The mechanism combining the reciprocating and rotational motion of the drive shaft (Fig. 6):
37 - Вал полый;37 - The shaft is hollow;
38 - Втулка упорная;38 - persistent bush;
39 - Вставка шлицевая;39 - Slotted insert;
40 - Колесо ведущее косозубое;40 - Helical wheel;
41 - Колесо ведомое косозубое;41 - Helical gear wheel;
42 - Вкладыш.42 - Insert.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
В общем настоящая группа изобретений предлагает устройство управления перемещением, то есть поворотом, вращением и приведением в действие, а именно смыканием или размыканием рабочих частей хирургического инструмента, концевого эффектора хирургического эндоскопического устройства.In general, the present group of inventions provides a device for controlling movement, that is, turning, rotating and actuating, namely, closing or opening the working parts of a surgical instrument, an end effector of a surgical endoscopic device.
Хирургическое эндоскопическое устройство может содержать соединительный корпус, имеющий дистальный конец с концевым эффектором с хирургическим инструментом для захвата ткани и подачи, по меньшей мере, одного соединительного элемента в захваченную ткань, и проксимальный конец с корпусом, в котором расположен приводной механизм. Приводной механизм выполнен с возможностью осуществления как поворота, вращения, так и приведения в действие хирургического инструмента, расположенного в концевом эффекторе.The surgical endoscopic device may include a connecting body having a distal end with an end effector with a surgical instrument for gripping tissue and feeding at least one connecting element to the captured tissue, and a proximal end with a housing in which the drive mechanism is located. The drive mechanism is configured to rotate, rotate, and actuate a surgical instrument located in the end effector.
На фиг. 1 изображен вариант осуществления хирургического эндоскопического устройства, которое содержит концевой эффектор 4, соединенный через шарнирную секцию из звеньев 3 с соединительным корпусом 2, внутри которого проходят тросы управления шарнирной секции 3, гибкий вал, жестко соединенный с одной стороны с валом привода, а с другой - с концевым эффектором 4, и привод, расположенный в корпусе 1 и функционально связанный с соединительным корпусом 2, шарнирной секцией 3, концевым эффектором 4 и с устройством сопряжения мехатронного эндоскопического хирургического аппарата через шлицевые полумуфты 5.In FIG. 1 shows an embodiment of a surgical endoscopic device that includes an
Привод имеет механизм управления тросами и узел привода гибкого вала и выполнен с возможностью передачи тягового усилия тросам для управления шарнирной секцией 3 и обеспечивающий: отклонение концевого эффектора 4 относительно продольной оси соединительного корпуса 2, вращение концевого эффектора 4 относительно своей оси на φ=±360°, сведения или разведения рабочих частей хирургического инструмента, сведение или разведение рабочих частей хирургического инструмента при различных углах отклонения концевого эффектора относительно продольной оси соединительного корпуса и одновременной возможности вращения концевого эффектора относительно своей оси в указанных угловых пределах.The drive has a cable control mechanism and a flexible shaft drive unit and is configured to transmit traction to the cables for controlling the
Конкретная конфигурация хирургического эндоскопического устройства с концевым эффектором может изменяться, и механизм управления концевым эффектором можно применять во многих различных хирургических аппаратах.The specific configuration of the endoscopic surgical endoscopic device may vary, and the end effector control mechanism may be used in many different surgical devices.
Соединительный корпус 2 выполнен полым с возможностью изгиба в области шарнирной секции 3. Концевой эффектор 4 присоединен к соединительному корпусу 2 через шарнирную секцию из звеньев 3 с возможностью вращения вокруг оси соединительного корпуса 2 и углового перемещения относительно оси указанного корпуса 2.The connecting
Концевой эффектор 4 может иметь много различных конфигураций, но в одном варианте осуществления концевой эффектор в качестве хирургического инструмента содержит клип-аппликатор (противоположные зажимы для захвата ткани между ними).The
Концевой эффектор 4 (фиг. 1) состоит из корпуса 16 (фиг. 2), в ответном отверстии которого с небольшим зазором расположен толкатель 18, соединенный с хирургическим инструментом 22 с одной стороны и с гибким валом 11 с другой.The end effector 4 (Fig. 1) consists of a housing 16 (Fig. 2), in the return opening of which a
Рабочие части хирургического инструмента 22 соединены между собой осью 17 хирургического инструмента, при этом рабочие части непосредственно крепятся на тягах 20 хирургического инструмента 22 через штифты 21. Тяги 20 входят в зацепление с осью 19 толкателя, который передает усилие от гибкого вала 11 тягам 20.The working parts of the
Толкатель 18 выполнен в виде ступенчатого цилиндра и в нижней части подпружинен возвратной пружиной 14. Возвратная пружина 14 установлена на нижней части толкателя 18 меньшего диаметра в распор между гайкой регулировочной 13 и толкателем 18 для изменения жесткости пружины, необходимой при настройке инструмента, при этом гайка регулировочная 13 с наружной резьбой ввинчена в корпус 16 концевого эффектора.The
Корпус 16 концевого эффектора крепится на краевом звене 9 шарнирной секции, которое является основанием для корпуса 16, с возможностью вращения вокруг своей оси.The
На краевом звене 9 выполнена кольцевая проточка, на которой зафиксирован корпус концевого эффектора фиксирующими штифтами 15. При этом вращение корпуса концевого эффектора обеспечивается движением корпуса вдоль кольцевой проточки (фиг. 3, вид В).An annular groove is made at the
Гайка регулировочная 13 является неподвижным телом и соединяет нижнюю часть толкателя 18 меньшего диаметра, который имеет возможность совершать возвратно-поступательные движения.The adjusting
Шарнирная секция из звеньев имеет два краевых звена 7, 9 и промежуточные звенья 8. Звенья шарнирной секции выполнены со стыковочными конгруэнтными полусферическими поверхностями с отверстием по центру для гибкого вала 11 и отверстиями на периферии звеньев для тросов 6.The hinged section of the links has two
К одному краевому звену 9 крепится корпус 16 концевого эффектора и жестко закрепляются тросы 6 с помощью клиньев 10, которые впоследствии фиксируются сваркой и зашлифовываются, а другое краевое звено 7 приварено торцом к соединительному корпусу 2 (фиг. 1) и имеет вогнутую поверхность.The
Промежуточные звенья 8 имеют с одного торца выпуклую, с другого торца вогнутую полусферы. Таким образом, каждое звено опирается своей полусферой в предыдущее и является опорой для последующего, и движение звеньев происходит строго по закону описывающему сферическую поверхность, обеспечивающее максимальный контакт со сферической опорой определяя надежность работы.The
Каждое звено имеет возможность отклонения от оси на φ=±30°, кроме краевого звена 9, которое является опорой для корпуса 16 концевого эффектора. То есть суммарно два промежуточных звена 8 и краевое звено 9 обеспечивают отклонение корпуса концевого эффектора в двух перпендикулярных плоскостях на угол φ=±90° (фиг. 3А, 3Б, 3В) посредством приложения сил к двум парам тросов 6, жестко закрепленных на краевом звене 9.Each link has the ability to deviate from the axis by φ = ± 30 °, except for the
Через центральное отверстие звеньев шарнирной секции проходит гибкий вал 11, который также является сердечником конструкции шарнирной секции 3 (фиг. 1), приводом концевого эффектора и имеет необходимую длину, не мешающую отклонению звеньев.A
Гибкий вал 11 жестко связан с одной стороны с валом привода 23 (фиг. 4), а с другой - с толкателем 18 (фиг. 2) корпуса 16 концевого эффектора. Гибкий вал 11 обеспечивает дополнительную жесткость шарнирной секции 3 и обеспечивает точность позиционирования хирургического эндоскопического инструмента в ограниченном пространстве хирургического поля.The
Вал привода 23 является трубкой. Гибкий вал 11 содержит сердечник 12 с навитой пружиной для исключения вытягивания. Сердечник 12 гибкого вала 11 выполняет функции, обеспечивающие устойчивость в крайних угловых положениях, передачи крутящего момента для вращения корпуса концевого эффектора с хирургическим инструментом 4 вокруг своей оси и сведения или разведения рабочих частей хирургического инструмента 22.The
Закрепленные на краевом звене 9 шарнирной секции 3 тросы 6 связаны с другой стороны с механизмом управления тросами. Тросы 6 проходят через отверстия, расположенные по периферии звеньев 7, 8, 9.The
В конкретном варианте осуществления используются четыре троса 6, проходящие через периферийные отверстия звеньев во взаимно перпендикулярных плоскостях, для управления шарнирной секцией 3 и концевым эффектором с хирургическим инструментом 4. Однако количество тросов для управления шарнирной секцией и концевым эффектором с хирургическим инструментом может варьироваться в зависимости от задач применения хирургического эндоскопического устройства. Так, звенья могут отклоняться в любых плоскостях в зависимости от количества тросов, например, три троса прикрепленные к звеньям через φ=120° позволяют изменять угол наклона в трех плоскостях и так далее.In a particular embodiment, four
Устройство также содержит приводной механизм (фиг. 4) управления перемещением и приведением в действие концевого эффектора 4. Перемещение может включать в себя поворот концевого эффектора 4 вокруг продольной оси соединительного корпуса 2, наклон концевого эффектора 4 на заданный угол по отношению к продольной оси соединительного корпуса 2 и приведение в действие концевого эффектора 4, посредством чего смыкаются рабочие части хирургического инструмента 22 для захвата ткани.The device also includes a drive mechanism (Fig. 4) for controlling the movement and actuation of the
В одном из вариантов осуществления приводной механизм функционально связан с корпусом управления приводом 1 и концевым эффектором 4 так, что он может одновременно осуществлять приведение в действие концевого эффектора 4, его поворот при заданных углах наклона шарнирной секции 3 из звеньев. Приводной механизм может быть выполнен в различных конфигурациях, однако в настоящем варианте осуществления привод имеет механизм управления тросами, который сообщает тяговое усилие по меньшей мере одному тросу для наклона концевого эффектора на заданный угол, и узел гибкого вала, который сообщает посредством вала привода вращательное движение гибкому валу и/или возвратно-поступательное движение гибкому валу и толкателю для раздельного или одновременного вращения концевого эффектора и приведения в действие концевого эффектора при заданных углах наклона шарнирной секции из звеньев.In one embodiment, the drive mechanism is operatively coupled to the
Механизм управления тросами и узел гибкого вала расположены на основании 24 корпуса управления приводом 1.The cable control mechanism and the flexible shaft assembly are located on the
Механизм управления тросами позволяет осуществлять движение шарнирной секции из звеньев 3 и соответственно производить поворот на заданный угол корпуса 16 концевого эффектора с хирургическим инструментом 4 (фиг. 3А, 3Б, 3В).The cable control mechanism allows the movement of the hinged section of the
Управление тросами осуществляется роликовыми барабанами В и Г (фиг. 4), приводящимися в действие шаговыми двигателями. В настоящем варианте осуществления работа шарнирной секции 3, то есть, отклонение звеньев в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, осуществляется с помощью двух пар тросов 6, натяжение которых производится блоками натяжения тросов. Первый блок натяжения тросов содержит роликовый барабан В, при этом каждый трос из пары тросов 28 барабана В, отклоняющих концевой эффектор 4 в плоскости «XZ», устанавливается в соответствующие распределительные ролики 32 (фиг. 4), далее тросы 28 укладываются навстречу друг другу в ролик барабана В, зажимаются рычагом 26 и фиксируются винтом 27. Второй блок натяжения тросов содержит роликовый барабан Г, при этом тросы 31 барабана Г из пары, отклоняющей концевой эффектор 4 в плоскости «YZ», также устанавливаются в соответствующие распределительные ролики 32, далее укладываются по высоте в направляющие ролики 29, затем в ролик барабана Г и аналогично фиксируются.The control of the cables is carried out by roller drums B and D (Fig. 4), driven by stepper motors. In the present embodiment, the operation of the
Диаметр роликовых барабанов В и Г рассчитан таким образом, чтобы обеспечить отклонение концевого эффектора с хирургическим инструментом 4 (Фиг. 3А) на углы φ=±90° относительно оси соединительного корпуса 2 (фиг. 1) в плоскостях «XZ» и «YZ» соответственно.The diameter of the roller drums B and D is designed in such a way as to ensure the deviation of the end effector with the surgical instrument 4 (Fig. 3A) by angles φ = ± 90 ° relative to the axis of the connecting body 2 (Fig. 1) in the planes "XZ" and "YZ" respectively.
Крутящий момент соответствующего роликового барабана сообщает тяговое усилие закрепленному на нем тросу для изменения угла наклона шарнирной секции в заданной плоскости.The torque of the corresponding roller drum imparts a pulling force to the cable fixed to it to change the angle of inclination of the hinge section in a given plane.
В качестве узла привода гибкого вал применены два независимых механизма и устройство, обеспечивающее раздельную или одновременную работу обоих механизмов:Two independent mechanisms and a device providing separate or simultaneous operation of both mechanisms are used as a flexible shaft drive unit:
- механизм, обеспечивающий смыкание или размыкание рабочих частей хирургического инструмента;- a mechanism for locking or opening the working parts of a surgical instrument;
- механизм, обеспечивающий вращательное движение концевого эффектора с хирургическим инструментом.- a mechanism that provides rotational movement of the end effector with a surgical instrument.
Механизм, обеспечивающий смыкание или размыкание рабочих частей хирургического инструмента 22, представляет собой одноступенчатый редуктор с прямозубой парой А (фиг. 4) с передаточным отношением i=5 и содержит цилиндрическую прямозубую зубчатую передачу в виде шестерни 25 и колеса 30, причем вал колеса 30 имеет сошку 34, которая соединена тягой 36 посредством осей 35 с направляющей 33 вала привода 23, жестко соединенного сваркой с гибким валом 11. Гибкий вал 11, с другой стороны, приварен к толкателю 18, который, в свою очередь, соединен с хирургическим инструментом 22 через тяги 20 посредством осей 19, 21.The mechanism for locking or opening the working parts of the
Смыкание рабочих частей хирургического инструмента 22 производится следующим образом. При вращении шестерни 25, которая вращает колесо 30, усилие передается через вал колеса 30 сошке 34. Возникающее радиальное перемещение сошки 34 передается через тягу направляющей 33 вала привода и непосредственно валу привода 23, который начинает перемещаться вдоль своей оси. Перемещение направляющей 33 вызывает перемещение вала привода 23, жестко связанного с ним гибкого вала 11 и толкателя концевого эффектора 18. Втягивающее усилие толкателя 18 сводит вместе тяги 20 (фиг. 2) хирургического инструмента, тем самым смыкая рабочие поверхности инструмента с заданным усилием. При смыкании рабочих частей хирургического инструмента 22 возвратная пружина 14 находится в сжатом состоянии.The closure of the working parts of the
Размыкание рабочих частей хирургического инструмента 22 происходит автоматически при окончании передачи тягового усилия, инициированного оперирующим хирургом, то есть при отключении привода прямозубой пары А.The opening of the working parts of the
Размыкание обеспечивается при обратном ходе вала привода 23. При ослаблении тянущего усилия возвратная пружина 14 разжимается, опираясь на неподвижную гайку регулировочную 13, давит на нижнюю часть толкателя меньшего диаметра 18, и происходит обратное движение. Толкатель 18 концевого эффектора возвращается в исходное состояние, тем самым разводя рабочие части хирургического инструмента 22.Opening is provided during the reverse stroke of the
Максимальный угол разведения в зависимости от типа инструмента может меняться от 22° до 38° и исполняется (ограничивается) конструкцией самого инструмента.The maximum dilution angle, depending on the type of instrument, can vary from 22 ° to 38 ° and is executed (limited) by the design of the instrument itself.
Таким образом смыкание или размыкание рабочих частей хирургического инструмента 22 производится за счет возвратно-поступательного движения цепочки: прямозубая пара А - тяга направляющей 33 - направляющая 33 - вал привода 23 - гибкий вал 11 - толкатель 18 - тяги 20 - хирургический инструмент 22 - за счет вращения в разных направлениях колеса 30 прямозубой пары редуктора.Thus, the closing or opening of the working parts of the
Механизм, обеспечивающий вращение концевого эффектора, представляет собой одноступенчатый редуктор с косозубой парой Б (фиг. 4) и передаточным отношением i=1.25 и содержит одноступенчатую косозубую зубчатую передачу в виде ведущего колеса 40 и ведомого колеса 41; которая передает крутящий момент цепочке: косозубая пара Б - вставка шлицевая 39 (фиг. 5) - вал привода 23 - гибкий вал 11 - толкатель 18 - тяги 20 - хирургический инструмент 22, передающий крутящий момент через ось 17, связывающую хирургический инструмент 22 с корпусом 16 концевого эффектора и обеспечивающий его вращение.The mechanism that ensures the rotation of the end effector is a single-stage gearbox with helical gear B (Fig. 4) and a gear ratio i = 1.25 and contains a single-stage helical gear transmission in the form of a
Вращение корпуса концевого эффектора с хирургическим инструментом 4 возможно на φ=±360°.Rotation of the case of the end effector with the
В качестве устройства, обеспечивающего раздельную или одновременную работу обоих механизмов, использована шлицевая муфта, состоящая из полого вала 37 с пазом под шлиц и шлицевой вставки 39, выполненной с возможностью продольного перемещения вдоль паза.As a device that provides separate or simultaneous operation of both mechanisms, a spline coupling is used, consisting of a
Длина паза и шлица выбирались конструктивно в зависимости от рабочего хода вала привода 23, который зависит от максимального угла раскрытия инструмента, равного 38°. Рабочий ход составил 5 мм, то есть, L паза = L шлица + L раб. ход.The length of the groove and slot is selected constructively depending on the working stroke of the
Полый вал 37 состыкован с направляющей 33 вала привода 23. Внутри полого вала 37 проходит вал направляющей 33, совершающий только возвратно-поступательное движение, который приводится в действие прямозубой парой А, и вал привода 23. К валу привода 23 приварена стыковой сваркой цапфа вала направляющей 33 с упорной втулкой 38 и вкладышем 42.The
Упорная втулка 38 установлена между вкладышем 42 и валом привода 23 и приварена к валу привода 23. Вкладыш 42 обеспечивает взаимодействие шлицевой вставки 39 с цапфой вала направляющей 33. Упорная втулка 38 ограничивает осевое перемещение вкладыша 42, имеющего возможность вращения относительно оси вместе с приваренной к нему шлицевой вставкой 39. Шлицевая вставка 39 жестко связана с вкладышем 42, упорной втулкой 38 и валом привода 23.The
Вращение концевого эффектора 4 с хирургическим инструментом осуществляется следующим образом. Ведомый вал 41 косозубой пары Б вращает полый вал 37 и через шлицы шлицевой вставки 39, приваренной к валу привода 23, передает крутящий момент валу привода 23 и по цепочке, соответственно, концевому эффектору.The rotation of the
Шлицевая муфта позволяет одновременно с вращением концевого эффектора с хирургическим инструментом относительно собственной оси подключать работу хирургического инструмента (смыкание или размыкание рабочих частей хирургического инструмента).The spline coupling allows simultaneously with the rotation of the end effector with the surgical instrument relative to its own axis to connect the operation of the surgical instrument (closing or opening the working parts of the surgical instrument).
Таким образом, шлицевая муфта выполнена с возможностью разделения вала привода 23 на 1) невращающуюся часть, относящуюся к направляющей 33 вала привода, которая не имеет возможность вращения, а только совершает возвратно-поступательное движение для смыкания или размыкания рабочих частей хирургического инструмента 22, и 2) вращающуюся часть с возможностью одновременного возвратно-поступательного движения, обеспечивающую как вращение концевого эффектора, так и смыкание или размыкание рабочих частей хирургического инструмента.Thus, the spline coupling is configured to divide the
В ходе проведения операции часто возникает необходимость одновременной работы, т.е. смыкание/размыкание и вращение концевого эффектора с хирургическим инструментом, например при наложении шва, где необходимо совершать круговые движение иглой и перемещаться по длине шва с определенным шагом. В этом случае приводятся в действие автономные шаговые двигатели цилиндрической пары А (возвратно-поступательное движение) и косозубой пары В (вращательное движение), индивидуальное управление которыми, производится хирургом с консоли модуля управления.During the operation, the need often arises for simultaneous operation, i.e. closing / opening and rotation of the end effector with a surgical instrument, for example, when suturing, where it is necessary to make a circular motion with a needle and move along the length of the seam with a certain step. In this case, autonomous stepper motors of a cylindrical pair A (reciprocating motion) and a helical pair B (rotational motion) are driven, individual control of which is performed by the surgeon from the console of the control module.
Таким образом, созданный привод хирургического эндоскопического устройства наиболее эффективный среди имеющихся аналогов и наиболее полно отвечает требованиями управления мехатронного хирургического комплекса.Thus, the created drive of the surgical endoscopic device is the most effective among the available analogues and most fully meets the requirements of the management of the mechatronic surgical complex.
Устройство выполнено с возможностью применения для роботизированного мехатронного хирургического комплекса. Это достигается тем, что привод имеет узел сопряжения, выполненный в виде шлицевых полумуфт 5 (фиг. 1), расположенных на верхней части корпуса 1 управления приводом устройства, которые входят в зацепление с ответными шлицевыми муфтами, расположенными на модуле управления, т.е. консоли хирургического комплекса, через которые хирург, с помощью джойстика, педалей и дисплея, путем изменения крутящих моментов на соответствующих полумуфтах, управляет работой шарнирного узла и концевого эффектора с хирургическим инструментом.The device is adapted for use in a robotic mechatronic surgical complex. This is achieved by the fact that the drive has a mating unit made in the form of spline half-couplings 5 (Fig. 1) located on the upper part of the device
Роботизированная хирургия применяется прежде всего в области урологии, гинекологии, имплантологии и общей хирургии. И все эти операции характеризуются очень ограниченным хирургическим пространством, т.к. оперируемые органы не имеют прямого доступа, а находятся в плотном окружении других органов. Наибольшее количество операций проводится по следующим направлениям: радикальная простатэктомия, радикальная гистерэктомия и резекция толстой кишки.Robotic surgery is primarily used in the field of urology, gynecology, implantology and general surgery. And all these operations are characterized by a very limited surgical space, because operated organs do not have direct access, but are in a dense environment of other organs. The largest number of operations is performed in the following areas: radical prostatectomy, radical hysterectomy and colon resection.
Разработанный нами концевой эффектор эндоскопического хирургического аппарата с гибкой шарнирной секцией из звеньев и с механизмом управления, позволяющим сочетать и реализовать различные функциональные возможности позиционирования концевого эффектора, рассчитан на хирургические инструменты для проведения именно этих операций.The end effector of the endoscopic surgical device that we developed with a flexible hinged section of links and with a control mechanism that allows you to combine and implement various functional possibilities for positioning the end effector, is designed for surgical instruments for carrying out precisely these operations.
Приведенное описание примерного варианта осуществления дает общее представление о принципах конструирования, функционирования, изготовления и применения устройства, предлагаемого настоящим изобретением. По меньшей мере, один пример из данных вариантов осуществления проиллюстрирован прилагаемыми чертежами. Специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники очевидно, что конкретные устройства, описанные в настоящем документе и проиллюстрированные на прилагаемых чертежах, представляют собой неограничивающие примерные варианты осуществления и что объем настоящего изобретения определяется исключительно формулой изобретения. Признаки, проиллюстрированные или описанные в связи с одним примерным вариантом осуществления, можно объединять с признаками других вариантов осуществления. Предполагается, что такие модификации и изменения находятся в пределах объема настоящего изобретения.The above description of an exemplary embodiment provides an overview of the principles of design, operation, manufacture and use of the device of the present invention. At least one example of these embodiments is illustrated by the accompanying drawings. Those of ordinary skill in the art will appreciate that the specific devices described herein and illustrated in the accompanying drawings are non-limiting exemplary embodiments and that the scope of the present invention is defined solely by the claims. The features illustrated or described in connection with one exemplary embodiment may be combined with features of other embodiments. Such modifications and changes are intended to be within the scope of the present invention.
Claims (30)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016117105A RU2636853C2 (en) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | End effector with hinge assembly and endoscopic surgical apparatus drive |
| PCT/RU2016/050082 WO2017188851A1 (en) | 2016-04-29 | 2016-12-08 | End effector with an articulated joint and actuator of an endoscopic surgical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016117105A RU2636853C2 (en) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | End effector with hinge assembly and endoscopic surgical apparatus drive |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016117105A RU2016117105A (en) | 2017-11-02 |
| RU2636853C2 true RU2636853C2 (en) | 2017-11-28 |
Family
ID=60159790
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016117105A RU2636853C2 (en) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | End effector with hinge assembly and endoscopic surgical apparatus drive |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2636853C2 (en) |
| WO (1) | WO2017188851A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2762487C1 (en) * | 2020-10-29 | 2021-12-21 | Бэйцзин Вемед Медикал Эквипмент Ко., Лтд. | Device and method for controlling clamping force of wire conductor for interventional surgical robot |
| RU2763670C1 (en) * | 2019-07-10 | 2021-12-30 | Бэйцзин Вемед Медикал Эквипмент Ко., Лтд. | Driven propulsion and control method for an interventional surgical robot |
Families Citing this family (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10076348B2 (en) | 2013-08-15 | 2018-09-18 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Rotary input for lever actuation |
| US10550918B2 (en) | 2013-08-15 | 2020-02-04 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Lever actuated gimbal plate |
| WO2018013316A1 (en) | 2016-07-14 | 2018-01-18 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Geared roll drive for medical instrument |
| WO2018013298A1 (en) | 2016-07-14 | 2018-01-18 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Geared grip actuation for medical instruments |
| US11241290B2 (en) | 2016-11-21 | 2022-02-08 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Cable length conserving medical instrument |
| US11076926B2 (en) | 2017-03-21 | 2021-08-03 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Manual release for medical device drive system |
| US11497567B2 (en) | 2018-02-08 | 2022-11-15 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Jointed control platform |
| US11118661B2 (en) | 2018-02-12 | 2021-09-14 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Instrument transmission converting roll to linear actuation |
| WO2019173266A1 (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Low-friction medical tools having roller-assisted tension members |
| WO2019173267A1 (en) | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Low-friction, small profile medical tools having easy-to-assemble components |
| CN111970985A (en) | 2018-03-07 | 2020-11-20 | 直观外科手术操作公司 | Low friction small medical tool with easily assembled components |
| CN108354668B (en) * | 2018-03-16 | 2024-03-15 | 深圳市罗伯医疗科技有限公司 | Auxiliary robot system for digestive tract operation |
| CN108354667A (en) * | 2018-03-16 | 2018-08-03 | 深圳市罗伯医疗科技有限公司 | A kind of flexibility Surgical instrument |
| CN108371548B (en) * | 2018-04-16 | 2019-09-13 | 李永灯 | The surgical instruments of articulating shaft with unipivot closure and twin shaft frame frame bottom |
| CN110693539A (en) * | 2018-07-10 | 2020-01-17 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | Minimally invasive surgery instrument for driving single-side flat plate arrangement |
| CN110948511B (en) * | 2018-09-26 | 2022-07-26 | 沈阳新松机器人自动化股份有限公司 | Alternative marching type robot feedway |
| WO2020102780A1 (en) | 2018-11-15 | 2020-05-22 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Cable drive limited slip capstan and shaft |
| CN110368092B (en) * | 2019-08-15 | 2024-02-09 | 上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司 | Surgical robot and surgical instrument |
| CN112545651B (en) * | 2019-09-26 | 2024-09-27 | 北京科迈启元科技有限公司 | Transurethral resectoscope surgical robot actuator |
| CN112842532B (en) * | 2019-11-27 | 2022-06-17 | 上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司 | Wire transmission structure, surgical instrument and surgical robot |
| JP7257353B2 (en) * | 2020-03-30 | 2023-04-13 | 株式会社メディカロイド | Endoscope adapter, robotic surgery system, and method for adjusting rotational position of endoscope adapter |
| CN113208737B (en) * | 2021-06-08 | 2023-04-28 | 山东大学 | Limited continuum for single-hole surgical robot |
| CN114010320B (en) * | 2021-09-15 | 2022-09-23 | 苏州中科华影健康科技有限公司 | Flexible surgical instrument control device and endoscopic surgical robot system |
| CN114052927B (en) * | 2022-01-18 | 2022-05-03 | 极限人工智能有限公司 | Multifunctional driving device, operation power device and split type operation device |
| CN114305540B (en) * | 2022-03-08 | 2022-06-07 | 极限人工智能有限公司 | Instrument driving module, operation power device and split type operation device |
| CN115105213A (en) * | 2022-06-20 | 2022-09-27 | 江苏唯德康医疗科技有限公司 | Flexible robot device for assisting endoscopic surgery |
| CN115317140B (en) * | 2022-09-06 | 2023-09-01 | 北京唯迈医疗设备有限公司 | Interventional operation robot system and method for prompting and presenting force measurement data thereof |
| CN115553924B (en) * | 2022-12-02 | 2023-03-10 | 北京云力境安科技有限公司 | Flexible instrument conveying device and execution component and driving component thereof |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100011900A1 (en) * | 2008-07-16 | 2010-01-21 | Intuitive Surgical, Inc. | Backend mechanism for four-cable wrist |
| RU2492821C2 (en) * | 2008-02-14 | 2013-09-20 | Этикон Эндо-Серджери, Инк. | Motorised surgical cutting and fastening instrument which has device for limitation of electromagnetic drive circuit torque |
| US20140058363A1 (en) * | 2009-07-27 | 2014-02-27 | Gerry Berkelaar | Endoscopic Surgical Instrument |
| US20140214049A1 (en) * | 2011-09-05 | 2014-07-31 | Movasu, Inc. | Minimally invasive surgical instrument having joint section comprising spherical components |
| RU2541829C1 (en) * | 2014-02-03 | 2015-02-20 | Открытое акционерное общество "Казанский электротехнический завод" | Endoscopic surgical aid drive |
| RU2546957C1 (en) * | 2014-02-03 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Казанский электротехнический завод" | End effector of endoscopic surgical unit |
| RU161078U1 (en) * | 2015-12-09 | 2016-04-10 | Публичное акционерное общество "Казанский электротехнический завод" | END ESPECTOR OF THE ENDOSCOPIC SURGICAL APPARATUS |
-
2016
- 2016-04-29 RU RU2016117105A patent/RU2636853C2/en not_active IP Right Cessation
- 2016-12-08 WO PCT/RU2016/050082 patent/WO2017188851A1/en active Application Filing
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2492821C2 (en) * | 2008-02-14 | 2013-09-20 | Этикон Эндо-Серджери, Инк. | Motorised surgical cutting and fastening instrument which has device for limitation of electromagnetic drive circuit torque |
| US20100011900A1 (en) * | 2008-07-16 | 2010-01-21 | Intuitive Surgical, Inc. | Backend mechanism for four-cable wrist |
| US20140058363A1 (en) * | 2009-07-27 | 2014-02-27 | Gerry Berkelaar | Endoscopic Surgical Instrument |
| US20140214049A1 (en) * | 2011-09-05 | 2014-07-31 | Movasu, Inc. | Minimally invasive surgical instrument having joint section comprising spherical components |
| RU2541829C1 (en) * | 2014-02-03 | 2015-02-20 | Открытое акционерное общество "Казанский электротехнический завод" | Endoscopic surgical aid drive |
| RU2546957C1 (en) * | 2014-02-03 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Казанский электротехнический завод" | End effector of endoscopic surgical unit |
| RU161078U1 (en) * | 2015-12-09 | 2016-04-10 | Публичное акционерное общество "Казанский электротехнический завод" | END ESPECTOR OF THE ENDOSCOPIC SURGICAL APPARATUS |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2763670C1 (en) * | 2019-07-10 | 2021-12-30 | Бэйцзин Вемед Медикал Эквипмент Ко., Лтд. | Driven propulsion and control method for an interventional surgical robot |
| RU2762487C1 (en) * | 2020-10-29 | 2021-12-21 | Бэйцзин Вемед Медикал Эквипмент Ко., Лтд. | Device and method for controlling clamping force of wire conductor for interventional surgical robot |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016117105A (en) | 2017-11-02 |
| WO2017188851A1 (en) | 2017-11-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2636853C2 (en) | End effector with hinge assembly and endoscopic surgical apparatus drive | |
| US20230173692A1 (en) | Mechanical wrist joints with enhanced range of motion, and related devices and methods | |
| JP6563053B2 (en) | Surgical tool with a small list | |
| US10660713B2 (en) | Wrist and jaw assemblies for robotic surgical systems | |
| US9687303B2 (en) | Dexterous wrists for surgical intervention | |
| EP2467083B1 (en) | Instrument wrist with cycloidal surfaces | |
| US9655638B2 (en) | Twin forceps for single access laparoscopy | |
| RU2715684C1 (en) | Self-contained mobile module of robotic surgical instrument | |
| CN115605139A (en) | Continuum instrument and surgical robot | |
| RU2570939C1 (en) | Driving unit for instrument of endoscopic surgical apparatus | |
| CN115551434A (en) | Continuum instrument and surgical robot | |
| CN116269774A (en) | Surgical instrument, slave operating device, and surgical robot |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190430 |