RU2715684C1 - Self-contained mobile module of robotic surgical instrument - Google Patents
Self-contained mobile module of robotic surgical instrument Download PDFInfo
- Publication number
- RU2715684C1 RU2715684C1 RU2018122952A RU2018122952A RU2715684C1 RU 2715684 C1 RU2715684 C1 RU 2715684C1 RU 2018122952 A RU2018122952 A RU 2018122952A RU 2018122952 A RU2018122952 A RU 2018122952A RU 2715684 C1 RU2715684 C1 RU 2715684C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- surgical instrument
- rotary
- drive
- end effector
- housing
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Manipulator (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Группа изобретений относится к медицинской технике, в частности к эндоскопическому хирургическому аппарату с использованием механизма параллельной кинематики (МПК) с встроенным устройством сопряжения и механизмом возвратно-поступательного движения инструмента по направляющим, способному манипулировать в телероботизированной системе. Настоящая группа изобретений может быть применима для эндоскопической и открытой хирургии, а также в микрохирургии и нейрохирургии с применением робототехники.The group of inventions relates to medical equipment, in particular, to an endoscopic surgical device using a parallel kinematics mechanism (MPC) with an integrated coupling device and a mechanism for reciprocating movement of a tool along guides capable of manipulating in a teleobotized system. The present group of inventions may be applicable for endoscopic and open surgery, as well as in microsurgery and neurosurgery using robotics.
Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
Применение манипуляторов в хирургии становится все более актуальной научной и технической задачей. Это обусловлено необходимостью удаленного расположения хирурга, а также требованиями минимального воздействия на ткани, расположенные рядом с полем операции. Такие устройства могут иметь последовательную или параллельную структуру.The use of manipulators in surgery is becoming an increasingly relevant scientific and technical task. This is due to the need for a remote location of the surgeon, as well as the requirements for minimal exposure to tissues located next to the operation field. Such devices may have a serial or parallel structure.
Преимуществами механизмов параллельной структуры являются высокая точность и эффективность, а также относительно малые габариты и вес. Кроме того, механизмы отличаются высокой жесткостью, что обусловлено работой телескопического устройства на растяжение-сжатие и равномерным распределением усилий по всей структуре.The advantages of parallel structure mechanisms are high accuracy and efficiency, as well as relatively small dimensions and weight. In addition, the mechanisms are characterized by high rigidity, which is due to the operation of the telescopic device for tension-compression and uniform distribution of forces throughout the structure.
Все известные механизмы параллельной структуры построены на основе различных сочетаний штанг и шарниров.All known mechanisms of the parallel structure are based on various combinations of rods and hinges.
На сегодняшний день механизмы параллельной кинематики (МПК) представлены широким разнообразием их исполнения. Механизмы параллельной структуры (МПС) можно классифицировать по следующим признакам:To date, the mechanisms of parallel kinematics (IPC) are represented by a wide variety of their execution. Parallel structure mechanisms (MPS) can be classified according to the following criteria:
- по виду штанг;- by the type of rods;
- по количеству штанг;- by the number of rods;
- по характеру расположения шарниров на платформе и основании;- by the nature of the location of the hinges on the platform and base;
- по расположению шпинделя и др.- according to the location of the spindle, etc.
По виду штанг разделение происходит:By the type of rods, separation occurs:
- на механизмы со штангами управляемой переменной длины (бипод, трипод, пентапод, гексапод, «ножницы»);- on mechanisms with rods of controlled variable length (bipod, tripod, pentapod, hexapod, “scissors”);
- на механизмы со штангами постоянной длины (линапод, биглайд, триглайд, ортоглайд, гексаглайд, ротопод, «дельта», four-pod).- on mechanisms with bars of constant length (linapod, biglayd, triglyde, orthoglide, hexaglide, rotopod, "delta", four-pod).
Механизм трипод состоит из трех симметрично установленных телескопических штанг, связанных шарнирно одним концом с выходным звеном, а другим - с неподвижным основанием. Эти штанги приводятся от отдельных двигателей и работают на растяжение - сжатие. Дополнительная неприводная штанга расположена в центре. Она воспринимает изгибные деформации от инструментальной головки и поэтому должна иметь значительно большие размеры по сравнению с приводными штангами.The tripod mechanism consists of three symmetrically mounted telescopic rods pivotally connected at one end to the output link and the other to a fixed base. These rods are driven by separate engines and operate in tension - compression. An additional non-drive bar is located in the center. It perceives bending deformations from the tool head and therefore must have significantly larger dimensions compared to the drive rods.
Гексапод (от гекса - шесть) выполнен на базе шести механизмов поступательного перемещения.Hexapod (from hexa - six) is based on six mechanisms of translational movement.
Механизмы типа трипод и гексапод обладают высокой жесткостью. Триподы конструктивно проще гексаподов и более приспособлены к практическому применению. Гексаподы, оснащаемые шестью штангами, требуют значительно более сложного программного обеспечения.Mechanisms such as tripods and hexapods have high rigidity. Tripods are structurally simpler than hexapods and more adapted to practical use. Hexapods equipped with six rods require significantly more sophisticated software.
При использования гексаподных и триподных систем в малоинвазивной роботизированной хирургии решаются следующие технические задачи:When using hexapodic and tripodic systems in minimally invasive robotic surgery, the following technical problems are solved:
1. Повышение точности проведения хирургической процедуры. Задача повышения точности проведения хирургической процедуры решается следующими компаниями: MAZOR ROBOTICS (US 9492241, US 8518051, US 2012143084, US 7887567), CHONGQING INSTITUTE GREEN & INTELLIGENT TECHNOLOGY CAS (CN 204428164), UNIVERSITY OF SHANGHAI FOR SCIENCE & TECHNOLOGY (CN 104644267), URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS (EP 1212002), FRAUNHOFER (DE 19649082), SOOCHOW UNIVERSITY (CN 102968665), BEIHANG UNIVERSITY OF AERONAUTICS & ASTRONAUTICS (CN 100496430).1. Improving the accuracy of the surgical procedure. The task of increasing the accuracy of the surgical procedure is solved by the following companies: MAZOR ROBOTICS (US 9492241, US 8518051, US 2012143084, US 7887567), CHONGQING INSTITUTE GREEN & INTELLIGENT TECHNOLOGY CAS (CN 204428164), UNIVERSITY OF SHANGHAI FOR SCIENCE & TECHNOLOG7) CN 10464 URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS (EP 1212002), FRAUNHOFER (DE 19649082), SOOCHOW UNIVERSITY (CN 102968665), BEIHANG UNIVERSITY OF AERONAUTICS & ASTRONAUTICS (CN 100496430).
2. Повышение надежности манипулятора. Решение задачи повышения надежности манипулятора представлено в патенте компании CHONGQING INSTITUTE GREEN & INTELLIGENT TECHNOLOGY CAS (CN 204428164), а также авторами GALIMOV OLEG VLADIMIROVICH, SHKUNDIN ANTON VLADIMIROVICH и SIRUSIN TIMUR ANVAROVICH в патенте RU 2491161.2. Improving the reliability of the manipulator. The solution to the problem of improving the reliability of the manipulator is presented in the patent of CHONGQING INSTITUTE GREEN & INTELLIGENT TECHNOLOGY CAS (CN 204428164), as well as by the authors GALIMOV OLEG VLADIMIROVICH, SHKUNDIN ANTON VLADIMIROVICH and SIRUSIN TIMUR ANVAROVICH in the patent RU 2491161.
3. Повышение жесткости. Повышение жесткости достигается такими компаниями, как JOHNS HOPKINS UNIVERSITY (WO 201715235) и UNIVERSITY OF SHANGHAI FOR SCIENCE & TECHNOLOGY (CN 104644267).3. Increased rigidity. Stiffening is achieved by companies such as JOHNS HOPKINS UNIVERSITY (WO 201715235) and UNIVERSITY OF SHANGHAI FOR SCIENCE & TECHNOLOGY (CN 104644267).
4. Уменьшение размеров устройства. Уменьшение размеров манипулятора достигается в патентах компаний JOHNS HOPKINS UNIVERSITY (US 9554865), ZHEJIANG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY (CN 204207850, CN 104337579), NOVINT TECHNOLOGIES (US 8806974), FUKUSHIMA NATIONAL UNIVERSITY (WO 2011155070), PRIETO DOERFEL DANIEL (DE 19606521).4. Reducing the size of the device. Reducing the size of the manipulator is achieved in the patents of the companies JOHNS HOPKINS UNIVERSITY (US 9554865), ZHEJIANG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY (CN 204207850, CN 104337579), NOVINT TECHNOLOGIES (US 8806974), FUKUSHIMA NATIONAL UNIVERSITY70 DOELEFIELDOEL DIEFELO WELDEROEL DIEFELO 2011 (DO 201115150 DIEROEL DIETERI DIELDEROEL DIETERI DIELDEROEL DIETERI DIELOUEREL DIETERI DIELOUERI DIELOUERI DIELOUERI DIELOUERI DIELOUERI DIELOUEROELDOEL DIEFERO DIELOUERO DIELOIEROI DIELOUEROELDOEL DIEROELI DIELOUERO DIELOIERO (DOEL 1960) )
5. Упрощение конструкции манипулятора. Способы усовершенствования конструкции манипулятора предложены в патентах следующих компаний: JOHNS HOPKINS UNIVERSITY (WO 201715235), SCHWAB MARTIN (US 9109743), NOVINT TECHNOLOGIES (US 8806974), URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS (EP 1212002).5. Simplification of the design of the manipulator. Methods of improving the design of the manipulator are proposed in patents of the following companies: JOHNS HOPKINS UNIVERSITY (WO 201715235), SCHWAB MARTIN (US 9109743), NOVINT TECHNOLOGIES (US 8806974), URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS (EP 1212002).
6. Снижение стоимости устройства. Задача снижения стоимости решается компаниями JOHNS HOPKINS UNIVERSITY (US 9554865), NOVINT TECHNOLOGIES (US 8806974), URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS (EP 1212002), а также авторами GALIMOV OLEG VLADIMIROVICH, SHKUNDIN ANTON VLADIMIROVICH и SIRUSIN TIMUR ANVAROVICH в патенте RU 2491161.6. Reducing the cost of the device. The task of reducing the cost is solved by the companies JOHNS HOPKINS UNIVERSITY (US 9554865), NOVINT TECHNOLOGIES (US 8806974), URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS (EP 1212002), as well as by the authors GALIMOV OLEG VLADIMIROVICH, SHKUNDIN ANTON VLADIMIROVICH and 24VIRINOV ANIMARUS.
7. Повышение степени гибкости при движении инструмента. Повышение гибкости достигается такими компаниями, как UNIVERSITY OF SHANGHAI FOR SCIENCE & TECHNOLOGY (CN 104644267), ZHEJIANG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY (CN 204207850, CN 104337579).7. Increasing the degree of flexibility when moving the tool. Increased flexibility is achieved by companies such as UNIVERSITY OF SHANGHAI FOR SCIENCE & TECHNOLOGY (CN 104644267), ZHEJIANG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY (CN 204207850, CN 104337579).
8. Обеспечение безопасной эксплуатации. Решение задачи обеспечения безопасности при эксплуатации ZHEJIANG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY (CN 204207850, CN 104337579), URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS (EP 1212002).8. Ensuring safe operation. The solution to the problem of ensuring safety during operation of ZHEJIANG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY (CN 204207850, CN 104337579), URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS (EP 1212002).
9. Уменьшение времени, затрачиваемого на проведение операции. Компанией JOHNS HOPKINS UNIVERSITY в WO 2016086049 предложена режущая машина для изменения размеров имплантатов во время операции.9. Reducing the time spent on the operation. JOHNS HOPKINS UNIVERSITY in WO 2016086049 proposes a cutting machine for resizing implants during surgery.
10. Компенсация систематических погрешностей гексапода. Способ компенсации систематических погрешностей гексапода описывается в WO 201764392 компании MICRO CONTROLE SPECTRA PHYSICS. Благодаря изобретению возможно компенсировать различные типы ошибок (связанные с геометрией устройства или его положением), таким образом, чтобы обеспечить особенно точный гексапод (с точным и контролируемым перемещением подвижной каретки относительно неподвижной базы).10. Compensation of systematic errors of hexapod. A method for compensating for the systematic errors of the hexapod is described in WO 201764392 by MICRO CONTROLE SPECTRA PHYSICS. Thanks to the invention, it is possible to compensate for various types of errors (related to the geometry of the device or its position), so as to provide a particularly accurate hexapod (with precise and controlled movement of the movable carriage relative to the fixed base).
11. Повышение манипуляционных возможностей. Повышение манипуляционных возможностей инструментов достигается такими компаниями, как ВОЕНМ (DE 102010018095), COLUMBIA UNIVERSITY (US 2010010504), FANUC (US 2008257092), INNOMEDIC (DE 10307054), а также авторами GALIMOV OLEG VLADIMIROVICH, SHKUNDIN ANTON VLADIMIROVICH и SIRUSIN TIMUR ANVAROVICH в патенте RU 2491161.11. Improving manipulation capabilities. Enhancing the manipulative capabilities of tools is achieved by such companies as VOENM (DE 102010018095), COLUMBIA UNIVERSITY (US 2010010504), FANUC (US 2008257092), INNOMEDIC (DE 10307054), as well as by the authors GALIMOV OLEG VLADIMIROVICH, SHKUNDIN ANTON VLADIMI RINVIIMIROVICH and RU 2491161.
Известен манипулятор роботизированного хирургического комплекса, описанный в DE 19649082, включающий неподвижную платформу и подвижную платформу, которые соединяет между собой гексапод. Гексапод позволяет маневрировать положением подвижной платформой. Гексапод имеет в общей сложности шесть стержней. Эндоскопическое устройство установлено соосно внутри гексапода на подвижной платформе. Эндоскопическое устройство представляло собой трубчатый зонд диаметром от 2 до 3 мм.Known manipulator of a robotic surgical complex described in DE 19649082, including a fixed platform and a movable platform, which connects a hexapod. Hexapod allows maneuvering the position of a movable platform. Hexapod has a total of six rods. An endoscopic device is mounted coaxially inside the hexapod on a movable platform. The endoscopic device was a tube probe with a diameter of 2 to 3 mm.
Недостатком такого решения является жесткое крепление зонда на платформе гексапода, в связи с чем перемещение зонда происходит совместно с гексаподом. Это приводит к увеличению инерционных масс и, как следствие, к уменьшению точности перемещений в операционном поле. Для устранения этого недостатка необходимо конструктивно предусмотреть возможность автономного возвратно-поступательного движения зонда внутри гексапода. Также, представленный манипулятор имеет ограниченное применение, в данном случае для мониторинга, КТ, МРТ. Сама операция состоит из введения зонда через отверстие в черепной коробке. Контролируется процесс всей операции с помощью компьютерного томографа.The disadvantage of this solution is the rigid mounting of the probe on the hexapod platform, and therefore the probe is moved together with the hexapod. This leads to an increase in inertial masses and, as a consequence, to a decrease in the accuracy of displacements in the surgical field. To eliminate this drawback, it is necessary to constructively provide for the possibility of autonomous reciprocating motion of the probe inside the hexapod. Also, the presented manipulator has limited use, in this case for monitoring, CT, MRI. The operation itself consists of inserting a probe through an opening in the cranium. The process of the entire operation is controlled using a computer tomograph.
Хирургический инструмент известен из RU 2650201. Настоящее изобретение относится к хирургическим инструментам и, в различных конструкциях, к хирургическим режущим и сшивающим инструментам и кассетам со скобками для них, которые выполнены с возможностью разрезания и сшивания ткани скобками. Хирургический инструмент включает приводную систему, выполненную с возможностью выработки множества поворотных управляющих перемещений концевого эффекта, при этом приводная система инструмента приводится в движение с помощью узла двигателей. Приводная система разъемным образом соединена с узлом двигателей защелками, винтами и другими приспособлениями.A surgical instrument is known from RU 2650201. The present invention relates to surgical instruments and, in various designs, to surgical cutting and stapling instruments and cassettes with brackets for them, which are arranged to cut and staple tissue with brackets. The surgical instrument includes a drive system configured to generate a plurality of rotary control movements of the end effect, while the drive system of the instrument is driven by an engine assembly. The drive system is detachably connected to the engine assembly with latches, screws and other devices.
Недостатком такого решения является невозможность использования этого инструмента в роботизированном хирургическом комплексе. Описанный выше хирургический инструмент можно использовать только как ручной эндоскопический инструмент, в данном случае это «клип-аппликатор», позволяющий только резать и сшивать мягкие ткани. Также к недостаткам можно отнести конструктивную и технологическую сложность реализации устройства, так как для осуществления поворотов и управляющих перемещений шарнирных секций концевого эффектора применены мелкомодульные дифференциалы, которые сложны в изготовлении и трудоемки в сборке, что снижает надежность устройства.The disadvantage of this solution is the inability to use this tool in a robotic surgical complex. The surgical instrument described above can only be used as a hand-held endoscopic instrument, in this case it is a “clip applicator” that allows only cutting and stitching soft tissues. The disadvantages include the structural and technological complexity of the implementation of the device, as for the implementation of turns and control movements of the hinged sections of the end effector, small-module differentials are used, which are difficult to manufacture and time-consuming to assemble, which reduces the reliability of the device.
Далее, концевой эффектор во время проведения хирургической операции находится в непосредственном взаимодействии с мягкими тканями, сосудами, тампонами, хирургическими нитями. Поэтому очень высока вероятность попадания или затягивания этих субстанций в зубчатый механизм конических дифференциалов, что приводит к заклиниванию механизма. Заклинивание не даст возможности вытягивать инструмент при замене инструмента или в экстренных случаях через троакар из операционной области, так как будет нарушена соосность шарнирных секций концевого эффектора со стволом инструмента.Further, the terminal effector during the surgical operation is in direct interaction with soft tissues, vessels, tampons, surgical threads. Therefore, the probability of getting or pulling these substances into the gear mechanism of conical differentials is very high, which leads to jamming of the mechanism. Jamming will not allow the tool to be pulled out when replacing the tool or in an emergency through a trocar from the operating area, as the alignment of the hinged sections of the end effector with the barrel of the tool will be violated.
Известна кинематическая схема концевого эффектора хирургического инструмента из US 2010004663, в которой используется тросовый механизм для вращения бранша и поворотного корпуса концевого эффектора. Для заделки двух тросов приходится делать соответственно две выемки в корневой зоне инструмента, что ослабляет конструкцию, а отсутствие запаса троса на поверхности бранша приводит к раскачке троса при вращении бранша и уменьшению срока службы и надежности.Known kinematic diagram of the end effector of a surgical instrument from US 2010004663, which uses a cable mechanism to rotate the jaw and the rotary body of the end effector. To terminate two cables, it is necessary to make two recesses in the root zone of the tool, which weakens the structure, and the lack of supply of the cable on the surface of the branch leads to the buildup of the cable during rotation of the branch and a decrease in service life and reliability.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Исходя из этого, цель рассматриваемого изобретения заключается в разработке автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента для выполнения хирургического вмешательства, содержащего усовершенствованный по сравнению с аналогами манипулятор хирургического инструмента на базе гексапода с встроенным узлом сопряжения, размещенным на подвижной платформе гексапода с приводом, являющегося постоянной частью конструкции, и сменным хирургическим инструментом, имеющего возможность возвратно-поступательного движения по направляющим, установленным перпендикулярно на подвижной платформе гексапода. Это позволяет расширить функциональные (манипуляционные) возможности и повысить точность позиционирования инструмента манипулятора по сравнению с аналогами и, главное - позволяет осуществить взаимодействие с ассистирующим роботизированным мехатронным хирургическим комплексом.Based on this, the aim of the invention is to develop a stand-alone mobile module of a robotic surgical instrument for performing surgical intervention, containing an improved hexapod-based surgical instrument manipulator with an integrated interface located on a moving hexapod platform with a drive, which is a constant part of the design , and interchangeable surgical instrument with the possibility of reciprocating motion on guides installed perpendicular to the hexapod moving platform. This allows you to expand the functional (manipulation) capabilities and increase the accuracy of the positioning of the manipulator tool in comparison with analogues and, most importantly - allows you to interact with an assisting robotic mechatronic surgical complex.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого манипулятора хирургического инструмента в составе автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента (в дальнейшем - модуль), заключается в повышении точности позиционирования и в повышении манипуляционных возможностей хирургического инструмента.The technical result achieved by using the inventive manipulator of a surgical instrument as part of an autonomous mobile module of a robotic surgical instrument (hereinafter - the module) is to increase the accuracy of positioning and to increase the manipulation capabilities of the surgical instrument.
Дополнительными преимуществом, возникающим при использовании заявляемого манипулятора с усовершенствованной конструкцией, является повышение точности проведения хирургической процедуры в рамках утвержденного плана (протокола) операции.An additional advantage arising when using the inventive manipulator with an improved design is to increase the accuracy of the surgical procedure within the framework of the approved plan (protocol) of the operation.
Точность позиционирования хирургического инструмента обеспечивается за счет использования в качестве манипулятора - гексапода, работающего по принципу параллельной кинематики и имеющего шести координатную систему микропозиционирования.The accuracy of positioning a surgical instrument is ensured by using a hexapod as a manipulator that works on the principle of parallel kinematics and has a six-coordinate micropositioning system.
Повышение манипуляционных возможностей хирургического инструмента обеспечивается за счет наличия в конструкции манипулятора встроенного узла сопряжения привода с гексаподом (далее - узел сопряжения). Узел сопряжения обеспечивает линейное возвратно-поступательное перемещение постоянного привода со сменным хирургическим инструментом (далее - инструмент). Привод выполнен с возможностью приведения инструмента в движение, в том числе, обеспечивает собственное вращение инструмента вокруг его собственной оси. Таким образом, конструкция узла сопряжения, расположенного внутри гексапода и закрепленного на подвижной платформе гексапода, позволяет совершать возвратно - поступательное перемещение инструмента с его одновременным собственным вращением вокруг своей оси при различных отклонениях подвижной платформы гекспода. Это приводит к повышению числа степеней свободы устройства до W=10 по сравнению с аналогами, имеющими W=6, что упрощает конструкцию роботизированной руки манипулятора.Improving the manipulative capabilities of a surgical instrument is ensured by the presence in the design of the manipulator of a built-in interface unit between the drive and the hexapod (hereinafter, the interface unit). The interface node provides a linear reciprocating movement of a permanent drive with a removable surgical instrument (hereinafter referred to as the instrument). The drive is configured to move the tool, including, provides its own rotation of the tool around its own axis. Thus, the design of the interface node located inside the hexapod and fixed on the hexapod's movable platform allows reciprocating and translational movement of the instrument with its simultaneous own rotation around its axis for various deviations of the movable hexpod platform. This leads to an increase in the number of degrees of freedom of the device to W = 10 compared to analogues having W = 6, which simplifies the design of the robotic arm of the manipulator.
Повышение манипуляционных возможностей позволяет хирургу с меньшим числом движения джойстика со «стойки хирурга», доставлять хирургический инструмент в конкретную точку операционного поля.Increased manipulation capabilities allow the surgeon with a smaller number of joystick movements from the "surgeon's desk" to deliver the surgical instrument to a specific point in the surgical field.
Положительный эффект от крепления хирургического инструмента непосредственно к приводу, а не к подвижной платформе манипулятора, в отличие от известных представленных выше систем, позволяет перемещать инструмент отдельно от перемещения механизма параллельной кинематики, что приводит к уменьшению инерционных масс и, как следствие, к увеличению точности перемещения инструмента в операционном поле в процессе хирургической операции.The positive effect of attaching a surgical instrument directly to the drive, and not to the movable platform of the manipulator, unlike the known systems presented above, allows you to move the tool separately from moving the parallel kinematic mechanism, which leads to a decrease in inertial masses and, as a result, to an increase in the accuracy of movement instrument in the surgical field during the surgical operation.
Все это в целом повышает точность проведения хирургической процедуры с использованием заявляемый манипулятора.All this in general increases the accuracy of the surgical procedure using the inventive manipulator.
Более того, заявляемый манипулятор обеспечивает возможность применения разных типов хирургических инструментов, что расширяет возможность применения предлагаемого манипулятора робитизированного хирургического комплекса в различных областях хирургии, таких как урология, кардиология, микрохирургия, нейрохирургия и так далее.Moreover, the inventive manipulator provides the possibility of using different types of surgical instruments, which expands the possibility of using the proposed manipulator of a robotic surgical complex in various fields of surgery, such as urology, cardiology, microsurgery, neurosurgery, and so on.
Узел сопряжения можно рассматривать также как самостоятельное устройство с целой линейкой хирургических инструментов, применяемых при различных видах малоинвазивных операций с возможным применением на роботизированных руках типа «KUKA», «FANUC» совместно с устройствами с использованием механизмов параллельной кинематики (МПК) и аналогичных механизмов, а также на вновь проектируемых роботизированных хирургических комплексах.The interface can also be considered as an independent device with a whole line of surgical instruments used in various types of minimally invasive operations with possible use on robotic arms such as “KUKA”, “FANUC” in conjunction with devices using parallel kinematics (IPC) and similar mechanisms, and also at newly designed robotic surgical complexes.
Настоящее изобретение также относится к усовершенствованной конструкции сменного хирургического инструмента для использования его с приводом в автономном мобильном модуле роботизированного хирургического инструмента и непосредственно к усовершенствованной конструкции и кинематической схемы концевого эффектора упомянутого хирургического инструмента.The present invention also relates to an improved design of a replaceable surgical instrument for use with a drive in a stand-alone mobile module of a robotic surgical instrument, and directly to an improved design and kinematic diagram of an end effector of said surgical instrument.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой усовершенствованной конструкции сменного хирургического инструмента с усовершенствованной кинематической схемой и конструкцией концевого эффектора для использования с приводом в роботизированном хирургическом комплексе, заключается в расширении функциональных возможностей при проведении хирургических операций.The technical result achieved by using the claimed improved design of a replaceable surgical instrument with an improved kinematic scheme and the design of the end effector for use with a drive in a robotic surgical complex, is to expand the functionality during surgical operations.
Дополнительных техническим результатом является повышение износостойкости, надежности, плавности хода и долговечности хирургического инструмента инструмента.An additional technical result is an increase in wear resistance, reliability, smoothness and durability of a surgical instrument.
Привод и монтажная часть сменного хирургического инструмента со стороны приводных муфт имеют одинаковую форму и соединены таким образом, что приводные муфты инструмента соосны приводным муфтам привода, при этом приводные полумуфты серводвигателей передают крутящий момент на ответные полумуфты хирургического инструмента и обеспечивают раздельную или одновременную работу тросового механизма и механизма поворота концевого эффектора хирургического инструмента. Тросовый механизм передает тяговое усилие браншам концевого эффектора для соответствующего углового перемещения относительного корпуса концевого эффектора и корпусу концевого эффектора для его углового перемещения относительно его оси. Механизм поворота концевого эффектора передает поворотное движение корпусу концевого эффектора относительно его оси. Каждый механизм является независимым включается в работу по команде оперирующего хирурга.The drive and the mounting part of the replaceable surgical instrument on the side of the drive couplings have the same shape and are connected in such a way that the drive couplings of the instrument are aligned with the drive couplings of the drive, while the drive half-couplings of the servomotors transmit torque to the response half-couplings of the surgical instrument and provide separate or simultaneous operation of the cable mechanism and rotation mechanism of the end effector of a surgical instrument. The cable mechanism transfers traction to the branches of the end effector for the corresponding angular movement of the relative body of the end effector and the body of the end effector for its angular movement about its axis. The mechanism of rotation of the end effector transmits rotational motion to the body of the end effector relative to its axis. Each mechanism is independent, is included in the work on the command of the operating surgeon.
Преимуществом такого крепления привода и монтажной части хирургического инструмента является его быстросъемность и возможность замены хирургического инструмента в случае необходимостиThe advantage of this mounting of the drive and the mounting part of the surgical instrument is its quick release and the ability to replace the surgical instrument if necessary
Положительный эффект и преимущества предлагаемой кинематической схемы концевого эффектора и инструмента следующие:The positive effect and advantages of the proposed kinematic scheme of the end effector and instrument are as follows:
- в предлагаемой конструкции бранша, в отличие от аналога (US 2010/0004663 А1), используется один трос, который передает тяговое усилие и вращает бранш в обе стороны (в то время, как у аналога используется два троса для вращения, каждый трос передает тяговое усилие и вращает в одну сторону);- in the proposed design of the jaw, in contrast to the analogue (US 2010/0004663 A1), one cable is used that transfers traction and rotates the jaw in both directions (while the analog uses two cables for rotation, each cable transfers the traction force and rotates in one direction);
- в предлагаемой конструкции изменена заделка троса, в частности, трос фиксируется с помощью обжимной трубки в одной выемке в нижней, противоположной от корневой зоны инструмента, роликовой части бранша и каждая из ветвей укладывается встречно в свою канавку на бранше, т.е. совершает почти полный оборот, это позволяет при повороте троса из крайних положений иметь в запасе половину оборота в троса в канавке, это исключает возможность раскачки и обрыва троса, т.к. происходит равномерное распределение тягового усилия на радиальной поверхности бранша при знакопеременных направлениях вращения в месте заделке, что повышает износостойкость, надежность, плавность хода и долговечность инструмента.- in the proposed design, the cable termination is changed, in particular, the cable is fixed with a crimp tube in one recess in the lower, opposite from the root zone of the tool, roller part of the jaw and each of the branches is stacked in the opposite direction into its groove on the jaw, i.e. makes almost a complete revolution, this allows you to have half the turn in the cable in the groove when turning the cable from the extreme positions, this eliminates the possibility of swinging and breaking the cable, because there is a uniform distribution of traction on the radial surface of the jaw with alternating directions of rotation at the seal, which increases the wear resistance, reliability, smoothness and durability of the tool.
Также увеличена вдвое по сравнению с аналогом толщина роликовой части бранша и корневой части инструмента, что повышает прочность инструмента без изменения внешних размеров корпусов шарниров концевого эффектора. В аналогичном инструменте для заделки двух тросов приходится делать соответственно две выемки в корневой зоне инструмента, что ослабляет конструкцию, а отсутствие запаса троса на поверхности бранша приводит к раскачке троса при вращении бранша и уменьшению срока службы и надежности.The thickness of the roller part of the jaw and the root part of the tool is also doubled in comparison with the analogue, which increases the strength of the tool without changing the external dimensions of the hinges of the end effector hinges. In a similar tool, for terminating two cables, it is necessary to make two recesses in the root zone of the tool, which weakens the structure, and the lack of supply of the cable on the surface of the branch leads to the buildup of the cable during rotation of the branch and a decrease in service life and reliability.
Аналогичный принцип заделки троса применен и для вращения поворотного корпуса концевого эффектора хирургического инструмента (в то время как у аналога применяется тросовая система из двух тросов с заделкой в верхней точке роликовой части корпуса).A similar principle of cable termination is used to rotate the rotary body of the end effector of a surgical instrument (while the analogue uses a cable system of two cables with termination at the upper point of the roller part of the body).
Изменение кинематической схемы концевого эффектора по сравнению с аналогом коснулось также размещения направляющих роликов, позволившего с меньшими радиальными изгибами тросовой системы передавать тяговые усилия к браншам инструмента и поворотному корпусу концевого эффектора, что повышает рабочий ресурс тросов.The change in the kinematic scheme of the end effector as compared to the analogue also affected the placement of guide rollers, which allowed to transmit traction forces to the tool branches and the rotary end effector body with smaller radial bends of the cable system, which increases the working life of the cables.
Среди других преимуществ, описанных выше, предлагаемая разработка автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента, включающая манипулятор для управления движением привода со сменных хирургическим инструментом, содействует увеличенному разнообразию систем. Другими словами, данная разработка представляет систему пригодной для множества применений, особенно для минимальной инвазивной хирургии.Among the other advantages described above, the proposed development of a stand-alone mobile module of a robotic surgical instrument, including a manipulator for controlling the movement of the drive from a removable surgical instrument, contributes to an increased variety of systems. In other words, this development represents a system suitable for many applications, especially for minimally invasive surgery.
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 деталей или элементов конструкции.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, the same reference numbers are used to denote the same parts or structural elements.
На фиг. 1 представлен перспективный вид ассистирующего роботизированного хирургического комплекса для выполнения минимальных инвазивных вмешательств, в частности, лапароскопических процедур.In FIG. 1 shows a perspective view of an assisting robotic surgical complex for performing minimal invasive procedures, in particular, laparoscopic procedures.
На фиг. 2 представлена конструкция и основные узлы автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента.In FIG. 2 shows the design and main components of an autonomous mobile module of a robotic surgical instrument.
На фиг. 3 представлен общий вид гексапода в составе манипулятора.In FIG. 3 shows a general view of the hexapod as part of the manipulator.
На фиг. 4 представлен общий вид узла сопряжения привода со сменным хирургическим инструментом с гексаподом.In FIG. 4 shows a General view of the interface unit of the drive with a removable surgical instrument with hexapod.
На фиг. 4А представлен общий вид узла сопряжения привода со сменным хирургическим инструментом с гексаподом, когда привод со сменным хирургическим инструментом находится в выдвинутом вперед положении.In FIG. 4A shows a general view of the interface unit of a drive with a removable surgical instrument with a hexapod when the drive with a replaceable surgical instrument is in a forward position.
На фиг. 5 представлен конструктивный вид исполнительного механизма узла сопряжения.In FIG. 5 shows a structural view of the actuator of the interface unit.
На фиг. 6 представлен общий вид привода со сменным хирургическим инструментом.In FIG. 6 shows a general view of a drive with a replaceable surgical instrument.
На фиг. 7 представлена конструкция привода с пространственным разделением деталей.In FIG. 7 shows the design of the drive with a spatial separation of the parts.
На фиг. 8 представлена конструкция сменного хирургического инструмента с пространственным разделением деталей для использования с предлагаемым приводом.In FIG. 8 shows the design of a replaceable surgical instrument with a spatial separation of parts for use with the proposed drive.
На фиг. 9 представлена шарнирная секция концевого эффектора с хирургическим инструментом.In FIG. 9 shows the hinged section of the end effector with a surgical instrument.
На фиг. 9А представлена схема крепления тросов к браншам.In FIG. 9A is a diagram of the attachment of cables to jaws.
На фиг. 10А-В представлен механизм тросового привода инструмента.In FIG. 10A-B illustrate a tool cable drive mechanism.
На фиг. 10A представлен механизм тросового привода браншей.In FIG. 10A shows a jaw cable drive mechanism.
На фиг. 10Б представлен механизм тросового привода поворотного корпуса концевого эффектора.In FIG. 10B presents the cable drive mechanism of the rotary housing of the end effector.
На фиг. 10В представлен механизм вращения концевого эффектора с инструментом.In FIG. 10B illustrates a rotation mechanism of an end effector with a tool.
На фиг. 11 представлена схема крепления троса на роликовом барабане.In FIG. 11 is a diagram of a cable fastening on a roller drum.
На фиг. 12А-12В изображена работа шарнирной секции концевого эффектора.In FIG. 12A-12B illustrate the operation of the hinged section of the end effector.
На фиг. 12А представлен вид, отображающий сведение или разведение рабочих частей хирургического инструмента, осуществляемого тросовым механизмом в крайних угловых значениях.In FIG. 12A is a view showing the reduction or dilution of the working parts of a surgical instrument carried out by a cable mechanism at extreme angular values.
На фиг. 12Б представлен вид сбоку, отображающий работу шарнирной секции поворотного корпуса концевого эффектора, осуществляемого тросовым механизмом в крайних угловых значениях.In FIG. 12B is a side view showing the operation of the hinged section of the rotary body of the end effector, carried out by a cable mechanism in extreme angular values.
На фиг. 12В представлен вид отображающий возможные перемещения в пространстве браншей относительно поворотного корпуса, поворотного корпуса относительно корпус-вилка и вращения всей шарнирной секции относительно оси трубки инструмента.In FIG. 12B is a view showing possible displacements in the space of the jaws relative to the rotary body, the rotary body relative to the plug body and the rotation of the entire hinge section relative to the axis of the tool tube.
ОбозначенияDesignations
Перспективный вид автономного мобильного модуля роботизированного хирургического комплекса состоит из следующих узлов (фиг. 1):A perspective view of an autonomous mobile module of a robotic surgical complex consists of the following nodes (Fig. 1):
1 - Консоль хирурга;1 - Console of the surgeon;
2 - Подкатная тележка;2 - trolley;
3 - Стойка манипулятора;3 - Stand of the manipulator;
4 - Манипулятор;4 - manipulator;
5 - Хирургический стол;5 - Surgical table;
6 - Ролики;6 - Rollers;
7 - Джойстик;7 - Joystick;
8 - Кресло хирурга;8 - surgeon's chair;
9 - Видеосистема;9 - Video system;
10 - Стойка управления.10 - Rack of management.
Конструкция и основные узлы автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента (фиг. 2):The design and main components of an autonomous mobile module of a robotic surgical instrument (Fig. 2):
3 - Стойка манипулятора;3 - Stand of the manipulator;
11 - Запястный шарнир;11 - Carpal joint;
12 - Ручная струбцина;12 - Manual clamp;
13 - Подвижная платформа;13 - Moving platform;
14 - Неподвижная платформа;14 - Fixed platform;
15 - Привод хирургического инструмента;15 - Drive surgical instrument;
16 - Хирургический инструмент;16 - Surgical instrument;
17 - Узел сопряжения;17 - Interface node;
Общий вид гексапода (фиг. 3):General view of hexapod (Fig. 3):
13 - Подвижная платформа;13 - Moving platform;
14 - Неподвижная платформа;14 - Fixed platform;
18 - Актуатор (исполнительное звено);18 - Actuator (executive link);
19 - Шарнир.19 - Hinge.
Общий вид узла сопряжения (фиг. 4):General view of the interface node (Fig. 4):
13 - Подвижная платформа;13 - Moving platform;
15 - Привод хирургического инструмента;15 - Drive surgical instrument;
16 - Хирургический инструмент;16 - Surgical instrument;
17 - Узел сопряжения;17 - Interface node;
20 - Направляющая;20 - Guide;
21 - Фиксирующая пластина;21 - a fixing plate;
22 - Крепежный хомут;22 - Fixing collar;
23 - Исполнительный механизм узла сопряжения;23 - Executive mechanism of the interface;
Общий вид узла сопряжения в выдвинутом состоянии (фиг. 4А): ΔL - длина рабочего хода узла сопряжения.General view of the interface node in the extended state (Fig. 4A): ΔL is the stroke length of the interface node.
Конструктивный вид исполнительного механизма узла сопряжения (фиг. 5):The structural view of the actuator of the interface node (Fig. 5):
15 - Привод;15 - Drive;
24 - Серводвигатель;24 - servomotor;
25 - Вал шарико-винтовой передачи;25 - Ball screw shaft;
26 - Резьбовая втулка шарико-винтовой передачи.26 - Threaded sleeve ball screw.
Общий вид привода с инструментом (фиг. 6):General view of the drive with a tool (Fig. 6):
3 - Замок пружинный;3 - spring lock;
27 - Корпус привода;27 - drive housing;
28 - Крышка привода;28 - a cover of a drive;
29 - Монтажная часть корпуса сменного хирургического инструмента;29 - Assembly part of the body of a removable surgical instrument;
30 - Удлиненный полый трубчатый корпус сменного хирургического инструмента;30 - An elongated hollow tubular body of a removable surgical instrument;
31 - Защелка замка пружинного;31 - spring lock latch;
32 - Концевой эффектор.32 - End effector.
Конструкция привода с пространственным разделением деталей (фиг. 7):Spatial drive design (FIG. 7):
27 - Корпус привода;27 - drive housing;
28 - Крышка привода;28 - a cover of a drive;
31 - Защелка замка пружинного;31 - spring lock latch;
33 - Монтажная платформа;33 - Mounting platform;
34 - Монтажная стыковочная платформа;34 - Mounting docking platform;
35 - Дистанционная стойка;35 - Remote stand;
36 - Двигатель;36 - engine;
37 - Соединительная муфта;37 - Coupling;
38 - Подшипник качения;38 - rolling bearing;
39 - Ведущие полумуфты привода;39 - Leading drive coupling halves;
40 - Установочный фланец полумуфты;40 - Mounting flange of the coupling half;
41 - Пружина сжатия.41 - Compression spring.
Конструкция сменного инструмента с пространственным разделением деталей для использования с предлагаемым приводом (фиг. 8):The design of a replaceable tool with a spatial separation of the parts for use with the proposed drive (Fig. 8):
30 - Удлиненный полый трубчатый корпус хирургического инструмента;30 - An elongated hollow tubular body of a surgical instrument;
32 - Концевой эффектор;32 - End effector;
43 - Монтажная стыковочная платформа;43 - Mounting docking platform;
44 - Верхняя монтажная платформа;44 - Upper mounting platform;
45 - Дистанционная стойка;45 - Remote stand;
46 - Ведомые полумуфты хирургического инструмента46 - Driven surgical instrument coupling halves
47 - Подшипник качения;47 - rolling bearing;
48 - Ведущая шестерня;48 - pinion gear;
49 - Ведомая шестерня;49 - Driven gear;
А - Тросовый барабан бранша 51;A -
Б - Тросовый барабан бранша 52;B - Cable drum of
В - Тросовый барабан поворота поворотного корпуса.B - Cable drum for turning the rotary housing.
Шарнирная секция концевого эффектора с хирургическим инструментом (фиг. 9):The hinged section of the end effector with a surgical instrument (Fig. 9):
50 - Поворотный корпус концевого эффектора;50 - Rotary case of the end effector;
51, 52 - Бранш;51, 52 - Branch;
53 - Корпус-вилка концевого эффектора;53 - Housing plug end effector;
54 - Ось поворотного корпуса;54 - axis of the rotary housing;
55 - Ось браншей;55 - The axis of the branches;
56, 57 - Тросы браншей;56, 57 - Jaws cables;
58 - Обжимная трубка;58 - Crimp tube;
59 - Направляющие ролики поворотного корпуса;59 - Guide rollers of the rotary housing;
60 - Направляющие ролики корпуса-вилка;60 - Guide rollers of the housing-fork;
61 - Направляющий канал;61 - Guide channel;
63 - Трос поворотного корпуса.63 - Cable swivel housing.
Г - выемка для фиксации троса.G - recess for fixing the cable.
Механизм тросового привода браншей (фиг. 10A):The mechanism of the cable drive jaws (Fig. 10A):
43 - Монтажная стыковочная платформа;43 - Mounting docking platform;
62 - Направляющие ролики привода браншей;62 - Guide rollers drive jaws;
А - Тросовый барабан бранша 51;A -
Б - Тросовый барабан бранша 52;B - Cable drum of
В - Тросовый барабан поворота поворотного корпуса 50.B - Cable drum of rotation of the
Механизм тросового привода поворотного корпуса концевого эффектора (фиг. 10Б):The mechanism of the cable drive of the rotary housing of the end effector (Fig. 10B):
43 - Монтажная стыковочная платформа;43 - Mounting docking platform;
62 - Направляющие ролики привода поворотного корпуса;62 - Guide rollers of the drive rotary housing;
А - Тросовый барабан бранша 51;A -
Б - Тросовый барабан бранша 52;B - Cable drum of
В - Тросовый барабан поворота поворотного корпуса 50.B - Cable drum of rotation of the
Механизм вращения концевого эффектора с инструментом (фиг. 10 В);The rotation mechanism of the end effector with the tool (Fig. 10 V);
30 - Удлиненный полый трубчатый корпус;30 - The elongated hollow tubular body;
32 - Концевой эффектор;32 - End effector;
48 - Ведущая шестерня;48 - pinion gear;
49 - Ведомая шестерня;49 - Driven gear;
Схема крепления троса на роликовом барабане (фиг. 11):The cable mounting scheme on the roller drum (Fig. 11):
46 - Ведомые полумуфты хирургического инструмента;46 - Guided coupling halves of a surgical instrument;
47 - Подшипник качения;47 - rolling bearing;
65 - Фиксирующий винт;65 - Locking screw;
66 - Ось ведомой полумуфты;66 - Axle driven half coupling;
67, 68 - Тросы;67, 68 - Cables;
69 - Обжимная трубка.69 - Crimp tube.
Подробное описание вариантов воплощения изобретенияDetailed Description of Embodiments
Настоящее изобретение предлагает автономный мобильный модуль роботизированного хирургического инструмента, входящий в состав ассистирующего роботизированного хирургического комплекса.The present invention provides an autonomous mobile module of a robotic surgical instrument, which is part of an assisting robotic surgical complex.
Ассистирующий роботизированный хирургический комплекс, как правило, состоит из нескольких основных компонентов: консоли хирурга, консоли пациента и системы обзора. В показанном на фиг. 1 примере представлен перспективный вид ассистирующего роботизированного хирургического комплекса для выполнения минимальных инвазивных вмешательств, в частности, лапароскопических процедур в составе консоли хирурга 1 и робота-хирурга, называемого также роботом ассистентом или роботом-манипулятором, который состоит из подкатной тележки 2 с установленными (закрепленными) на ней на стойках 3 манипуляторами 4. Манипуляторы 4 предназначены для позиционирования и ориентации исполнительного блока, который удерживает и приводит в движение различные виды хирургических инструментов.Assisting robotic surgical complex, as a rule, consists of several main components: the console of the surgeon, the console of the patient and the viewing system. As shown in FIG. Example 1 shows a perspective view of an assisting robotic surgical complex for performing minimal invasive interventions, in particular, laparoscopic procedures consisting of the console of a surgeon 1 and a robot surgeon, also called an assistant robot or a robotic arm, which consists of a trolley 2 with mounted (fixed) on it on
Тележка 2 имеет п-образную форму и подкатывается вручную ассистентом под стандартный хирургический стол 5, на котором располагается пациент, на определенную глубину. Тележка 2 фиксируется тормозной системой, встроенной в колеса 6 тележки.The trolley 2 has a p-shaped shape and is rolled manually by an assistant under the standard surgical table 5, on which the patient is located, to a certain depth. Trolley 2 is fixed by the brake system integrated in the wheels 6 of the trolley.
Консоль хирурга 1 представляет собой устройство, включающее в себя видео систему для отображения операционного поля, два устройства 7 управления хирургическим инструментом (джойстик). Во время проведения операции на консоли хирурга 1 хирург сидит в кресле 8 перед видеосистемой 9, наблюдает за операционным полем и дистанционно управляет манипуляторами 4 и, соответственно, хирургическими инструментами с помощью джойстиков 7 по одному в каждой руке. Количество используемых манипуляторов 4 может быть не менее трех в зависимости от типа проводимой операции и числа применяемых во время операции хирургических инструментов. Причем один манипулятор 4 всегда должен удерживать хирургический инструмент с видеокамерой. Консоль хирурга 1 электрически связана с подкатной тележкой 2, располагающейся непосредственно возле пациента, и стойкой управления 10, в которой расположены блоки питания и блоки с программным обеспечением управления джойстиками 7, манипуляторами 4 и всех вспомогательных систем.The console of the surgeon 1 is a device that includes a video system for displaying the surgical field, two devices 7 for controlling a surgical instrument (joystick). During the operation, on the console of the surgeon 1, the surgeon sits in the chair 8 in front of the video system 9, observes the surgical field and remotely controls the manipulators 4 and, accordingly, the surgical instruments using the joysticks 7, one in each hand. The number of manipulators 4 used may be at least three, depending on the type of operation performed and the number of surgical instruments used during the operation. Moreover, one manipulator 4 must always hold a surgical instrument with a video camera. The console of the surgeon 1 is electrically connected to the trolley 2, located directly next to the patient, and a
Сами манипуляции и ход операции с использованием ассистирующего роботизированного хирургического комплекса практически не отличаются от таковых при лапароскопических, за исключением большего удобства для хирурга, который работает сидя, в комфортных условиях, вне самой операционной или рядом на некотором удалении от операционного стола.The manipulations themselves and the course of the operation using the assisting robotic surgical complex practically do not differ from those for laparoscopic ones, with the exception of greater convenience for the surgeon who works sitting in comfortable conditions, outside the operating room itself or nearby at some distance from the operating table.
Настоящее изобретение направлено на усовершенствование конструкции манипулятора 4 на стойке 3. Так, настоящее изобретение предлагает автономный мобильный модуль роботизированного хирургического инструмента, включающий в себя новую конструкцию манипулятора для манипулирования сменным хирургическим инструментом в соответствии с первым аспектом предлагаемого изобретения, и сам хирургический инструмент в соответствии со вторым аспектом предлагаемого изобретения. В соответствии с третьим аспектом предлагаемого изобретения хирургический инструмент имеет усовершенствованную конструкцию концевого эффектора.The present invention is aimed at improving the design of the manipulator 4 on the
На фиг. 2 показан общий внешний вид предлагаемого настоящим изобретением автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента. Модуль включает в себя манипулятор на основе механизма параллельной кинематики, жестко закрепленный на стойке 3 через запястный шарнир 11, который позволяет вручную ориентировать (перемещать) манипулятор для того чтобы завести инструмент через троакар в брюшную полость пациента в операционное поле. Далее происходит фиксация положения манипулятора с помощью ручной струбцины 12 на запястном шарнире 11. Наблюдение за перемещением инструмента внутри брюшной полости производится с помощью видеосистемы 9 на консоли хирурга 1.In FIG. 2 shows the general appearance of a self-contained mobile module of a robotic surgical instrument proposed by the present invention. The module includes a manipulator based on the mechanism of parallel kinematics, rigidly fixed to the
Механизм параллельной кинематики выполнен в виде гексапода. Указанный механизм соединяет подвижную платформу 13 и неподвижную платформу 14 и выполнен с возможностью управляемого маневрирования подвижной платформы 13 относительно неподвижной платформы 14. Внутренняя часть гексапода определяется как объемное усеченное виртуальное коническое тело, образованное шестью исполнительными механизмами, соединенных шарнирно одной стороной с неподвижной платформой 14, а другой - с подвижной платформой 13, которые являются соответственно основанием и вершиной конуса.The mechanism of parallel kinematics is made in the form of a hexapod. The specified mechanism connects the
Во внутренней части гексапода расположен привод 15, к которому присоединяется сменный хирургический инструмент 16. Сочленение привода 15 и сменного хирургического инструмента 16 выполнено таким образом, что позволяет использование доступных стандартных инструментов, которые были разработаны для обычных, неавтоматизированных процедур, или узкоспециализированных хирургических инструментов, в том числе разрабатываемого согласно одному из аспектов предлагаемого изобретения.A
Привод 15 предназначен для приведения хирургического инструмента 16 в движение, в том числе, обеспечивает вращение хирургического инструмента 16 вокруг собственной оси. При этом сам привод 15 вместе с хирургическим инструментом 16 имеет возможность линейно перемещаться в возвратно-поступательном направлении относительно гексапода через подвижную платформу 13 и неподвижную платформу 14 гексапода. Такое перемещение привода 15 совместно с хирургическим инструментом 16 внутри гексапода реализуется с помощью узла сопряжения 17. Узел сопряжения 17 расположен внутри гексапода и закреплен на его подвижной платформе 13.The
В следующих абзацах будет дано более подробное описание конструкции манипулятора со ссылкой на фигуры 3-5.The following paragraphs will give a more detailed description of the design of the manipulator with reference to figures 3-5.
Фиг. 3 показывает некоторые признаки гексапода. Гексапод обеспечивает отклонение подвижной платформы 13 относительно неподвижной платформы 14 с помощью шести независимых исполнительных звеньев 18, каждое из которых с помощью соответствующих верхних и нижних шарниров 19 соединено одним концом с подвижной платформой 13, а другим концом - с неподвижной платформой 14.FIG. 3 shows some signs of hexapod. The hexapod provides the deflection of the
В качестве верхних шарниров и нижних шарниров могут быть использованы разные типы шарниров. В предпочтительном варианте осуществления в качестве шарниров используются одинаковые типы шарниров со сходными угловыми характеристиками. В качестве шарниров 19 могут быть использованы разные типы шарниров, например, шаровые опоры. В предпочтительном варианте осуществления изобретения в гексаподе применяются карданные шарниры для обеспечения большей жесткости конструкции.As the upper hinges and lower hinges, different types of hinges can be used. In a preferred embodiment, the same types of hinges with similar angular characteristics are used as hinges. As the
Исполнительное звено 18 в различных вариантах осуществления изобретения может быть выполнено в виде актуатора различной конструкции, выбранной из: линейный актуатор, сервомашинка, соленоид, гидравлический привод, пневматический привод, пневматический мускул, актуатор на основе электроактивных полимеров, актуатор на основе металлов с эффектом памяти. В предпочтительном варианте осуществления согласно предлагаемому изобретению исходя из целей и задач разработки исполнительное звено 18 выполнено в виде линейного актуатора, состоящего из серводвигателя постоянного тока или шагового двигателя с шарико-винтовой передачей.The
Управление каждым из исполнительных звеньев 18 осуществляется независимо. Такая конфигурация манипулятора позволяет проводить позиционирование подвижной платформы 13 по трем линейным координатам (X,Y,Z), а также осуществлять вращение подвижной платформы вокруг соответствующих осей . Исходя из кинематической схемы гексаподов происходит вращение каждого актуатора вокруг соответствующих осей и, соответственно подвижной платформы, центральная точка которой описывает полусферическое поле.Management of each of the
Диаметр неподвижной платформы 14 выбран из обеспечения условий свободного размещения и перемещения узла сопряжения 17 совместно с подвижной платформой 13 относительно неподвижной платформы 14 при крайних отклонениях подвижной платформы 13, допускаемых конструкцией верхних и/или нижних шарниров 19. Поверхности подвижной 13 и неподвижной 14 платформ, обращенных друг к другу, на которых установлены шарниры 19, выполнены с уклоном на внешнюю и внутреннюю стороны (часть гексапода) соответственно, под углом, составляющим 18°. Это значение угла получено при оптимизации перемещений узла сопряжения и позволило расширить угловой диапазон работы карданных шарниров. Подобные гексаподы в зависимости от задачи имеют углы отклонений подвижной платформы до значений 10°. В заявляемом изобретении отклонение подвижной платформы, узла сопряжения с приводом и хирургическим инструментом на 18° относительно неподвижной платформы гексапода было получено для создания возможности работы рабочей части хирургического инструмента (концевого эффектора) в операционном поле с условным диаметром операционного поля не менее 200 мм.The diameter of the fixed
На фиг. 4 представлен общий вид узла сопряжения 17 привода 15 со сменным хирургическим инструментом 16 с подвижной платформой 13 гексапода. Узел сопряжения выполнен в виде механизма сопряжения привода 15 с подвижной платформой 13 гексапода и исполнительного механизма 23, который обеспечивает линейное перемещение привода 15 в возвратно-поступательном направлении.In FIG. 4 shows a General view of the
Механизм сопряжения привода 15 с подвижной платформой 13 включает по меньшей мере две направляющие 20, жестко закрепленные на подвижной платформе 13 гексапода и установленные перпендикулярно ей, по меньшей мере один крепежный хомут 22, который размещен на направляющих 20.The mechanism for connecting the
По меньшей мере две направляющие 20 узла сопряжения 17 жестко закреплены во внутренней части гексапода на подвижной платформе 13. Каждая из направляющих 20 узла сопряжения 17 закреплена одним концом на подвижной платформе 13 гексапода таким образом, что направляющие 20 устанавливаются перпендикулярно к указанной платформе 13. Другой конец каждой из направляющих 20 закреплен на фиксирующей пластине 21. На направляющих 20 размещен по меньшей мере один крепежный хомут 22, в котором закреплен привод 15. Фиксирующая пластина 21 выполняет функции ограничителя хода привода 15, фиксации направляющих 20.At least two
Исполнительный механизм 23 узла сопряжения 17 обеспечивает линейное перемещение привода 15 со сменным хирургическим инструментом 16 по направляющим 20 узла сопряжения 17 в возвратно-поступательном направлении. Исполнительный механизм 23 согласно показанному на фиг. 4 варианту осуществления изобретения представлен в парковочном положении.The
Исполнительный механизм 23 с одной стороны соосно жестко закреплен винтами на крышке корпуса привода 15, а с другой стороны исполнительный механизм 23 жестко закрепленна фиксирующей пластине 21.The
В качестве исполнительного механизма может быть применен серводвигатель постоянного тока, шаговый двигатель с шарико-винтовой передачей, реечный механизм, тросовый механизм, а также гидравлический привод, пневмопривод, соленоидный привод.As an actuator, a direct current servo motor, a stepper motor with a ball screw transmission, a rack and pinion mechanism, a cable mechanism, as well as a hydraulic drive, a pneumatic drive, a solenoid drive can be used.
На фиг. 4 представлен вариант осуществления изобретения, в котором в качестве исполнительного механизма применен серводвигатель с шарико-винтовой передачей. В изображенном на фиг. 4 варианте осуществления изобретения исполнительный механизм 23 жестко закреплен на фиксирующей пластине 21 посредством резьбовой втулки шарико-винтового механизма, ввернутой в резьбовое отверстие в центре фиксирующей пластины 21. Таким образом, дополнительной функцией фиксирующей пластины 21 является место крепления резьбовой втулки шарико-винтового механизма.In FIG. 4 shows an embodiment of the invention in which a ball screw servo motor is used as an actuator. In the depicted in FIG. 4 of the embodiment of the invention, the
На фиг. 4А показан узел сопряжения в выдвинутом положении, где ΔL - длина «рабочего хода» (выдвижение/втягивание), которая зависит от длины штока шарико-винтовой передачи применяемого исполнительного механизма 23 и соответствующих ему длин направляющих 20. В этом положении привод 15 со сменным хирургическим инструментом 16 проходит через подвижную платформу 13 гексапода таким образом, что хирургический инструмент занимает рабочую позицию, а привод смещается относительно парковочного положения (фиг. 4)In FIG. 4A shows the interface in the extended position, where ΔL is the length of the "travel" (extension / retraction), which depends on the length of the ball screw shaft of the actuator used 23 and the corresponding lengths of the
На фиг. 5 показан один из примеров выполнения исполнительного механизма 23, который состоит из серводвигателя 24, вала шарико-винтовой передачи 25 и резьбовой втулки шарико-винтовой передачи 26. Серводвигатель 24 передает крутящий момент шарико-винтовой передаче 25. При вращении вала шарико-винтовой передачи 25 происходит линейное перемещение привода 15 со сменным хирургическим инструментом 16 (по типу «винт-гайка»), осуществляемое через резьбовую втулку шарико-винтовой передачи 26, жестко закрепленную на фиксирующей пластине 21 узла сопряжения 17. Перемещение осуществляется со скоростью и направлением, задаваемым хирургом с помощью программного обеспечения автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента. Процессор с программным обеспечением устанавливается на компьютерной стойке 10, расположенной рядом с консолью хирурга 1. Через процессор с установленным в нем программным обеспечением хирург имеет возможность осуществлять управление манипулятором и концевым эффектором хирургического инструмента с помощью джойстика на консоли хирурга.In FIG. 5 shows one example of the execution of the
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения в качестве двигателя исполнительного механизма может быть применен тот же двигатель с шарико-винтовой передачей, что и в исполнительных звеньях (актуаторах) гексапода, обеспечивающих такую же точность позиционирования. Это позволяет унифицировать узлы конструкции и возможность применения однотипных контроллеров и протоколов обмена, что приводит к упрощению программы управления манипулятора. При разработке изделий в целях унификации и удобства сопряжения внешних устройств (контроллеров, драйверов и так далее) целесообразно комплектовать изделие однотипным оборудованием.In preferred embodiments of the invention, the same ball screw motor can be used as the actuator motor as in the hexapod actuators (actuators) providing the same positioning accuracy. This allows you to unify the design nodes and the possibility of using the same type of controllers and exchange protocols, which leads to a simplification of the manipulator control program. When developing products for the purpose of unification and convenience of interfacing external devices (controllers, drivers, and so on), it is advisable to complete the product with the same type of equipment.
Другой аспект заявляемого изобретения относится к конструкции сменного хирургического инструмента для использования его с приводом, который является постоянной частью манипулятора автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента.Another aspect of the claimed invention relates to the construction of a replaceable surgical instrument for use with a drive, which is a permanent part of the manipulator of an autonomous mobile module of a robotic surgical instrument.
На фиг. 6 представлен общий вид привода со сменным хирургическим инструментом. Предпочтительно, когда привод хирургического инструмента содержит корпус 27 цилиндрической формы с крышкой 28 на одном конце и с поверхностью доступа, в которой расположен механизм быстросъемной установки или снятия 31 сменного хирургического инструмента, на другом. Данный механизм крепит корпус 27 привода к корпусу сменного хирургического инструмента в сборе и обеспечивает быструю установку и/или замену хирургического инструмента. В качестве поверхности доступа механизма быстросъемной установки или снятия сменного хирургического инструмента используется монтажная стыковочная платформа корпуса привода.In FIG. 6 shows a general view of a drive with a replaceable surgical instrument. Preferably, when the surgical instrument drive comprises a
Предпочтительно, когда корпус сменного хирургического инструмента выполнен в виде монтажной части 29 и удлиненного полого трубчатого корпуса 30. Удлиненный полый трубчатый корпус 30 выполнен с возможностью функционального взаимодействия с приводом. Монтажная часть 29 корпуса сменного хирургического инструмента имеет цилиндрическую воронкообразную форму с поверхностью доступа, в которой расположен механизм быстросъемной установки или снятия сменного хирургического инструмента 31. Диаметр присоединяемой монтажной части 29 корпуса сменного хирургического инструмента равен диаметру корпуса 27 привода. В качестве поверхности доступа механизма быстросъемной установки или снятия сменного хирургического инструмента используется монтажная стыковочная платформа монтажной части корпуса хирургического инструмента.Preferably, when the housing of the interchangeable surgical instrument is made in the form of a mounting
В предпочтительных вариантах осуществления в качестве механизма быстросъемной установки или снятия сменного хирургического инструмента может быть выбран один из: пружинный замок с защелками, байонетное соединение, резьбовая накидная гайка, магнитный замок. На фиг. 6 изображен вариант осуществления механизма быстросъемной установки или снятия хирургического инструмента согласно настоящему изобретению в виде пружинного замка с защелками.In preferred embodiments, one of: a snap-lock spring lock, a bayonet fitting, a threaded union nut, a magnetic lock, can be selected as a quick-attach mechanism or removal of a removable surgical instrument. In FIG. 6 depicts an embodiment of a quick-fitting or removal mechanism of a surgical instrument according to the present invention in the form of a snap lock.
Диаметр удлиненного полого трубчатого корпуса 30 хирургического инструмента зависит от типа хирургической операции. Например, в нейрохирургии применяются инструменты с диаметром 3 мм, в детской хирургии - диаметром 5 мм, в урологии - 8,5 мм. Длина указанного трубчатого корпуса 30 составляет от 495 мм до 555 мм в зависимости от типа и назначения хирургического инструмента. На дистальном конце удлиненного полого трубчатого корпуса 30 закреплен хирургический концевой эффектор 32.The diameter of the elongated hollow
Конструкция привода станет понятна из фиг. 7.The design of the drive will become apparent from FIG. 7.
Корпус 27 одет на соответствующее посадочное место монтажной стыковочной платформы 34 привода и закрыт, с другой стороны, крышкой привода 28. Внутри корпуса привода 27 находится монтажная платформа 33. Платформы 33 и 34 выполнены в виде фланцев с отверстиями для крепления двигателей, узлов приводных муфт, подшипников качения и соединены между собой по меньшей мере четырьмя дистанционными стойками 35. На монтажной платформе 33 жестко закреплены по меньшей мере четыре двигателя 36 по кольцевой схеме. При разработке конструкции выбираются двигатели со следующими характеристиками: точность углового поворота вала двигателя; необходимая величина крутящего момента и скорости вращения вала с возможностью их регулирования; напряжение питания и ток применяемых двигателей; способ крепления; габариты и масса.The
Двигатель может представлять собой серводвигатель. В других конфигурациях двигатель может включать в себя приводной щеточный двигатель постоянного тока, бесщеточный двигатель, синхронный двигатель, малогабаритный шаговый двигатель или любой другой подходящий электрический двигатель. Двигатель может получать электропитание от источника питания, который в одной форме может содержать блок питания, хранящийся с возможностью извлечения в стандартной 19-ти дюймовой стойке 10, находящейся рядом с консолью хирурга 1.The motor may be a servomotor. In other configurations, the motor may include a DC brush drive motor, a brushless motor, a synchronous motor, a small stepper motor, or any other suitable electric motor. The engine can receive power from a power source, which in one form may contain a power supply, stored with the possibility of extraction in a standard 19-
Блок питания может функционально вмещать в себя несколько батарей (не показаны). Каждая батарея может представлять собой, например, литий-ионную или другую подходящую батарею, кроме этого, блок питания может быть сменным и/или перезаряжаемым.The power supply can functionally accommodate multiple batteries (not shown). Each battery can be, for example, a lithium-ion or other suitable battery, in addition, the power supply can be replaceable and / or rechargeable.
Двигатели 36 привода хирургического инструмента активируются хирургом с консоли хирурга с помощью двух джойстиков под каждую руку, сигналы с которых интерпретируются с помощью программного обеспечения. Каждый из двигателей 36 управляется независимо друг от друга. Система управления двигателями обеспечивает их раздельную или одновременную работу в зависимости от команды оперирующего хирурга.The surgical
Крутящий момент от двигателей 36 через соединительные муфты 37, вращающиеся в подшипниках качения 38, передается на ведущие полумуфты 39, установленные с возможностью свободного вращения на монтажной стыковочной платформе 34 в установочном фланце полумуфты 40 и подпружиненные пружинами сжатия 41.The torque from the
Тип используемых муфт выбирается в зависимости от решаемых задач, а именно: жесткие или глухие муфты - фланцевые, втулочные, продольно-свертные; компенсирующие муфты - шарнирные, упруго-демпфирующие, втулочно пальцевые и другие. В случае, описанным в настоящем изобретении, применяются самоуправляемые или автоматические муфты, однооборотные, которые срабатывают, попадая в определенное положение, через один или несколько оборотов вала. В предпочтительном варианте осуществления изобретения муфты выполнены в виде шестигранников, что ускоряет процесс зацепления в отличие от шлицевых и других муфт.The type of couplings used is selected depending on the tasks to be solved, namely: rigid or blind couplings - flanged, sleeve, longitudinally rolled; compensating couplings - articulated, elastic-damping, sleeve-pin and others. In the case described in the present invention, self-actuating or automatic couplings are used, single-turn, which operate when they get to a certain position, after one or several revolutions of the shaft. In a preferred embodiment of the invention, the couplings are made in the form of hexagons, which speeds up the gearing process, unlike splined and other couplings.
Согласно фиг. 7 ведущие полумуфты 39, выполненные в виде шестигранников S=8 mm, выступают над монтажной стыковочной платформой 34 на 2 мм. Пружины сжатия 41 выполняют роль демпфера и механизма зацепления ведущих полумуфт 39 с ведомыми полумуфтами сменного хирургического инструмента. Таким образом, ведущие полумуфты 39 привода передают крутящий момент на ответные ведомые полумуфты хирургического инструмента.According to FIG. 7, the leading
Внутренняя конструкция привода установлена в корпус 27. Сборка конструкции обеспечивается стягивающей осью 42, имеющей резьбовое окончание с обеих сторон, проходящей по центральной оси привода между двигателями 36 и через центральное отверстие в крышке 28. Стягивающая ось 42 одной стороной ввернута в монтажную стыковочную платформу 34, а другой стороной проходит через сквозное отверстие в крышке 28 привода. На внешней поверхности крышки 28 стягивающая ось 42 фиксируется стандартной резьбовой гайкой, обеспечивая простое, легко разборное и жесткое соединение элементов привода. На крышке корпуса привода 15 соосно жестко закреплен винтами исполнительный механизм 23.The internal structure of the drive is installed in the
Фиксация соединения или разъединения корпуса привода со сменным инструментом реализуется с помощью замка пружинного 31, расположенного внутри монтажной стыковочной платформы 34.Fixing the connection or disconnection of the drive housing with a removable tool is implemented using a
Приведение в движение хирургического инструмента станет понятным из фиг. 8.The propulsion of a surgical instrument will become apparent from FIG. 8.
Удлиненный полый трубчатый корпус выполнен с возможностью функционального взаимодействия с приводом и возможностью вращения вокруг собственной оси в двух соосно установленных подшипниках качения 47, являющихся его опорами, один из которых, запрессован в верхнюю часть монтажного корпуса 29, второй в верхнюю монтажную платформу 44.The elongated hollow tubular body is made with the possibility of functional interaction with the drive and the possibility of rotation around its own axis in two coaxially mounted rolling
Монтажная часть 29 корпуса хирургического инструмента одета с натягом на соответствующее посадочное место монтажной стыковочной платформы 43 хирургического инструмента.The mounting
Внутри монтажной части корпуса сменного инструмента находится монтажная стыковочная платформа 43 и верхняя монтажная платформа 44 соединенные между собой, по меньшей мере четырьмя дистанционными стойками 45. Платформы 43 и 44 выполнены в виде фланцев с отверстиями и являющиеся опорными поверхностями для крепления тросового механизма, механизма поворота концевого эффектора и ведомых полумуфт.Inside the mounting part of the tool case there is a mounting
Ведомые полумуфты 46 хирургического инструмента, выполненные в изображенном на фиг. 8 варианте осуществления изобретения с шестигранной выборкой S=8 мм имеют те же координаты размещения, что и ведущие полумуфты 39 (фиг. 7) привода. Оси ведомых полумуфт 46 установлены в подшипники качения 47 монтажной стыковочной платформы 43 и верхней монтажной платформы 44 в соответствующих расточках, выполненных в этих платформах. Ведомые полумуфты 46 хирургического инструмента входят в зацепление с соответствующими ведущими полумуфтами 39 (фиг. 7) привода.The driven surgical tool halves 46 made in the one shown in FIG. 8 of the embodiment of the invention with a hexagonal selection S = 8 mm have the same placement coordinates as the leading coupling halves 39 (Fig. 7) of the drive. The axis of the driven coupling halves 46 are installed in the rolling
Тросовый механизм содержит три поворотных элемента, выполненных с возможностью приема поворотного движения от привода 15, и тросы, закрепленные на поворотных элементах, и проходящие через удлиненный полый трубчатый корпус для соединения с элементами концевого эффектора. Концевой эффектор представляет собой шарнирную секцию, в частности, двухзвенный шарнирный механизм с поворотным корпусом и корпусом-вилка. На оси поворотного корпуса закреплены первая бранша и вторая бранша. На оси корпуса-вилка закреплен поворотный корпус.The cable mechanism contains three pivoting elements configured to receive pivotal movement from the
В качестве поворотных элементов использованы роликовые барабаны А, Б и В, которые одновременно являются блоками натяжения тросов и закреплены на осях ведомых полумуфт 46. Роликовые барабаны А, Б и В приводятся в действие тремя двигателями 36 привода (фиг. 7). Ответные ведомые полумуфты 46 хирургического инструмента передают крутящий момент от соответствующих двигателей через ведущие полумуфты 39 привода и обеспечивают вращение роликовых барабанов А, Б и В. Две пары тросов жестко закреплены на роликовых барабанах, тросы проходят через полый трубчатый корпус 30 и соединяются с шарнирными элементами концевого эффектора 32.As the rotary elements used roller drums A, B and C, which are simultaneously blocks of cable tension and are mounted on the axes of the driven coupling halves 46. Roller drums A, B and C are driven by three drive motors 36 (Fig. 7). Response driven surgical tool halves 46 transmit torque from the respective motors through the drive
Одна пара тросов, которая жестко закреплена на роликовых барабанах А и Б передает тяговое усилие каждому из браншей концевого эффектора для углового перемещения относительно продольной оси поворотного корпуса концевого эффектора 32 (сведение или разведение рабочих частей бранш концевого эффектора). Вторая пара тросов, которая жестко закреплена на роликовом барабане В, передает тяговое усилие поворотному корпусу концевого эффектора 32 для его углового перемещения (отклонения) относительно оси удлиненного полого трубчатого корпуса 30 хирургического инструмента. Перемещение браншей хирургического инструмента и отклонение поворотного корпуса концевого эффектора 32 осуществляется автономно во взаимно-перпендикулярных плоскостях.One pair of cables, which is rigidly fixed to the roller drums A and B, transfers traction to each of the end effector branches for angular movement relative to the longitudinal axis of the
В разных вариантах осуществления изобретения тросы, используемых в тросовом механизме, могут быть выполнены из: металлических нитей, кевларовых нитей, полиэтиленовых нитей или из любого другого материала, удовлетворяющего медико-техническим требованиям.In various embodiments of the invention, the cables used in the cable mechanism can be made of: metal threads, Kevlar threads, polyethylene threads or any other material that meets medical and technical requirements.
Механизм поворота концевого эффектора содержит механизм зубчатой передачи, состоящий из ведущего колеса 48, передающего крутящий момент ведомому колесу 49, для вращения удлиненного полого трубчатого корпуса 30 вокруг собственной оси и соответственно корпуса-вилка концевого эффектора 32, который жестко соединен с удлиненным полым трубчатым корпусом 30.The end effector rotation mechanism comprises a gear mechanism consisting of a
Таким образом, поворотный корпус концевого эффектора 32 выполнен с возможностью углового перемещения относительно оси удлиненного полого трубчатого корпуса 30. Корпус - вилка концевого эффектора 32 выполнен с возможностью вращения (поворота) вокруг оси удлиненного полого трубчатого корпуса 30.Thus, the rotary housing of the
Другой аспект заявляемого изобретения относится к совершенствованной конструкции кинематической схемы концевого эффектора сменного хирургического инструмента для использования его с приводом, который является постоянной частью манипулятора автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента.Another aspect of the claimed invention relates to an improved design of the kinematic diagram of the end effector of a removable surgical instrument for use with a drive, which is a constant part of the manipulator of an autonomous mobile module of a robotic surgical instrument.
На фиг. 9 представлен общий вид шарнирной секции концевого эффектора с хирургическим инструментом. Концевой эффектор представляет из себя шарнирную секцию, состоящую из корпуса-вилки 53, поворотного корпуса 50 и двух бранш 51, 52.In FIG. 9 is a perspective view of a hinged section of an end effector with a surgical instrument. The end effector is a hinged section consisting of a
Корпус-вилка 53 концевого эффектора 32 жестко соединен лазерной сваркой с удлиненным полым трубчатым корпусом 30 хирургического инструмента. Поворотный корпус 50 выполнен совместно с направляющим каналом 61. Направляющий канал 61 поворотного корпуса 50, направляющие ролики 60 корпуса-вилка 53, расположенные с обоих сторон от направляющего канала 61, соединены осью 54.The
Направляющие ролики 59, по паре с каждой стороны от поворотного корпуса 50, и направляющие ролики 60 обеспечивают направление и точность схода тросов 56, 57 браншей 51,52 через соответствующие отверстия в корпусе-вилка 53 и далее внутри удлиненного трубчатого корпуса 30 к соответствующим тросовым барабанам А, Б, В (фиг. 8).The
Каждая из бранш 51, 52 хирургического инструмента имеет нижнюю роликовую часть. Бранши 51, 52 и поворотный корпус 50 соединены осью 55 бранш, которая проходит через нижнюю роликовую часть бранш. В частном случае, изображенном на фиг. 9, на фиг. 9А, представлены бранши микроиглодержателя. При этом ось 55 браншей 51, 52 хирургического инструмента и ось 54, соединяющая поворотный корпус 50 и корпус-вилку 53, взаимно перпендикулярны друг другу, что позволяет поворотному корпусу 50 и браншам 51, 52 вращаться соответственно, во взаимно перпендикулярных плоскостях.Each of the
Схема крепления тросов к браншам показана на фиг. 9А.The cable fastening to the branches is shown in FIG. 9A.
В нижней роликовой часть каждой из браншей 51 и 52 на внутренних частях, обращенных друг к другу, имеются выемки Г. Тяговое усилие к каждому из двух браншей 51 и 52 передается тросами 56 и 57 соответственно, жестко закрепленных в выемках Г с помощью обжимных трубок 58 и, обеспечивающих угловое перемещение браншей 51, 52 относительно продольной оси поворотного корпуса 50 концевого эффектора в диапазоне ±90°. Каждая из ветвей тросов 57, 58 укладывается встречно в свою канавку нижней роликовой части бранши на соответствующий бранш, огибая его по обе стороны нижней роликовой части. Далее обе ветви тросов проходят по направляющим роликам 59 и 60 (фиг. 9) и через соответствующие отверстия в корпусе-вилка 53 концевого эффектора подводятся через полый удлиненный трубчатый корпус 30 и через направляющие ролики 62, установленные на монтажной стыковочной платформе 43 (фиг. 10A) (верхняя монтажная платформа 44 условно не показана) к роликовым барабанам А и Б.In the lower roller part of each of the
Тяговое усилие к поворотному корпусу 50 для его отклонения относительно оси удлиненного полого трубчатого корпуса сменного хирургического инструмента 30 передает вторая пара тросов 63, которая обвивает направляющий канал 61 поворотного корпуса 50. Тросы через соответствующие отверстия в корпусе-вилка 53 концевого эффектора подводятся через полый удлиненный трубчатый корпус 30 и через направляющие ролики 62, установленные на монтажной стыковочной платформе 43 (фиг. 10Б), (верхняя монтажная платформа 44 условно не показана) к роликовому барабану В.The pulling force to the
С другой стороны верхней монтажной платформы 44 хирургического инструмента 32 расположен механизм поворота концевого эффектора, который содержит механизм зубчатой передачи 51, 52 для поворота корпуса-вилки 53 концевого эффектора 32. В показанном на фиг. 10В (верхняя монтажная платформа 44 условно не показана) варианте осуществления изобретения механизм поворота концевого эффектора выполнен в виде прямозубого шестеренчатого механизма, который работает от крутящего момента, передаваемым четвертым двигателем 36 привода 27 через полумуфты 39 и 46 на ведущую шестерню 51 и ведомую шестерню 52, которая жестко связана с удлиненным полым трубчатым корпусом 30 хирургического инструмента.On the other side of the
На фиг. 11 изображена схема крепления тросов на роликовом барабане (тросы и барабаны показаны как пример, безотносительно к выполняемой функции).In FIG. 11 shows a diagram of the attachment of cables to a roller drum (cables and drums are shown as an example, regardless of the function performed).
Каждый из роликовых барабанов состоит из двух разрезных (по образующей) втулок 63, 64 с роликовой частью, стянутых между собой фиксирующими винтами 65 и одетых на ось 66 ведомой полумуфты 46 навстречу друг другу роликовыми частями.Each of the roller drums consists of two split (along the generatrix) bushings 63, 64 with a roller part, tightened together by fixing
Два троса 67.68 жестко закреплены в тангенциально расположенных отверстиях на внутренней стороне роликовой части барабана с помощью обжимных трубок 69, залитых литьевым полиамидом. Каждая ветвь троса наматывается на роликовый барабан тросового механизма следующим образом: одна ветвь наматывается на разрезную подвижную втулку верхнего роликового барабана 64, вторая ветвь - на разрезную подвижную втулку нижнего роликового барабана 65 по одному обороту навстречу друг другу и жестко закрепляются с помощью обжимных трубок 69 на концах тросов. Натяжение тросов, для исключения провисания и холостых пробегов, производится путем вращения соответствующих барабанов во встречном направлении с последующей фиксацией фиксирующими винтами 65.Two cables 67.68 are rigidly fixed in the tangentially located holes on the inner side of the roller part of the drum using
На фиг. 12А-12В изображена работа шарнирной секции концевого эффектора. Управление каждым браншем может быть осуществлено с помощью двух двигателей подсоединяемого к хирургическому инструменту привода как автономно, в пределах угловых перемещений φ=±90°, так и совместно обоими браншами в том же угловом диапазоне (фиг. 12А). Отклонение поворотного корпуса концевого эффектора осуществляется с помощью третьего двигателя, подсоединяемого к хирургическому инструменту привода до крайних симметричных угловых значений относительно оси инструмента в пределах φ=±90° (фиг. 12Б). На фиг. 12 В представлен вид отображающий возможные перемещения в пространстве браншей относительно поворотного корпуса, поворотного корпуса относительно корпус-вилка и вращения всей шарнирной секции относительно оси трубки инструмента.In FIG. 12A-12B illustrate the operation of the hinged section of the end effector. Each jaw can be controlled using two motors connected to the surgical instrument with a drive both autonomously, within angular displacements φ = ± 90 °, and together with both jaws in the same angular range (Fig. 12A). The deviation of the rotary housing of the end effector is carried out using a third motor connected to the surgical instrument of the drive to the extreme symmetrical angular values relative to the axis of the instrument within φ = ± 90 ° (Fig. 12B). In FIG. 12B is a view showing possible displacements in the space of the jaws relative to the rotary body, the rotary body relative to the plug body and the rotation of the entire hinge section relative to the axis of the tool tube.
Таким образом, расположенный внутри корпуса хирургического инструмента тросовый механизм, соединяющий роликовые барабаны с шарнирными механизмами концевого эффектора через тросы, которые проходят через полый удлиненный трубчатый корпус хирургического инструмента, позволяет управлять с помощью 2-х двигателей автономно каждым браншем инструмента, обеспечивая сведение/разведение рабочих поверхностей на φ=±180°, и управлять с помощью третьего двигателя поворотным корпусом концевого эффектора, обеспечивая его отклонение на φ=±90° относительно оси инструмента. Перемещение браншей инструмента и отклонение корпуса концевого эффектора осуществляется во взаимно-перпендикулярных плоскостях.Thus, the cable mechanism located inside the case of the surgical instrument, connecting the roller drums with the hinged mechanisms of the end effector through the cables that pass through the hollow elongated tubular case of the surgical instrument, allows each instrument branch to be controlled independently by means of 2 engines, ensuring the reduction / dilution of the workers surfaces at φ = ± 180 °, and control with the help of a third engine the rotary housing of the end effector, ensuring its deviation at φ = ± 90 ° axis of the tool. The tool branches are moved and the end effector body is deflected in mutually perpendicular planes.
Вращение инструмента вокруг оси на φ=±350° обеспечивает прямозубый шестеренчатый механизм, также встроенный в корпус инструмента и работающий от крутящего момента, передаваемого 4-м двигателем привода на ведомую шестерню жестко связанной с трубкой инструмента.The rotation of the tool around the axis by φ = ± 350 ° provides a spur gear mechanism, also built into the tool body and working from the torque transmitted by the 4th drive motor to the driven gear rigidly connected to the tool tube.
Более того, узел сопряжения 17 обеспечивает линейное возвратно-поступательное перемещение хирургического инструмента 16 при различных отклонениях подвижной платформы 13, при этом концевой эффектор хирургического инструмента одновременно с указанным линейным перемещением имеет возможность вращаться вокруг своей собственной оси, а бранши концевого эффектора могут независимо от этих движений перемещаться друг относительно друга.Moreover, the
Положительный эффект и преимущества предлагаемого автономного мобильного модуля роботизированного хирургического инструмента:The positive effect and advantages of the proposed autonomous mobile module of a robotic surgical instrument:
- использование гексапода как элемента роботизированного модуля, повышающего точность проведения хирургической процедуры;- the use of hexapod as an element of a robotic module that increases the accuracy of the surgical procedure;
- встроено устройство сопряжения инструмента с приводом и с механизмом возвратно-поступательного движения инструмента по направляющим;- built-in device for pairing the tool with the drive and with the mechanism of reciprocating movement of the tool along the guides;
- быстросъемный инструмент;- quick-detachable tool;
- повышение манипуляционных возможностей;- increase of manipulative opportunities;
- упрощение конструкции роботизированной руки (уменьшение числа степеней свободы) за счет применения гексапода в качестве манипулятора.- simplification of the design of the robotic arm (reducing the number of degrees of freedom) due to the use of hexapod as a manipulator.
- в отличие от широко известного аналога, роботохирургического комплекса «da Vinci», предлагаемое устройство имеет существенно меньшие размеры и вес.- unlike the well-known analogue, the da Vinci robotic surgery complex, the proposed device has significantly smaller dimensions and weight.
Хотя настоящая патентная заявка относится к определенному в прилагаемой ниже в формуле изобретения изобретению, специалист без труда поймет, что настоящая заявка на патент содержит основание для формулировки других изобретений, которые могут, например, быть заявлены как объект уточненной формулы изобретения настоящей заявки или как объект формулы изобретения в выделенной и/или продолжающей заявке. Такой объект может быть охарактеризован любым признаком или комбинацией признаков, описанных в настоящем документе.Although the present patent application relates to the invention defined in the claims below, one skilled in the art will readily understand that the present patent application contains the basis for the wording of other inventions, which may, for example, be claimed as an object of the amended claims of the present application or as an object of the claims inventions in a separate and / or continuing application. Such an object may be characterized by any feature or combination of features described herein.
Claims (30)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018122952A RU2715684C1 (en) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | Self-contained mobile module of robotic surgical instrument |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018122952A RU2715684C1 (en) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | Self-contained mobile module of robotic surgical instrument |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2715684C1 true RU2715684C1 (en) | 2020-03-02 |
Family
ID=69768659
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018122952A RU2715684C1 (en) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | Self-contained mobile module of robotic surgical instrument |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2715684C1 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113491580A (en) * | 2020-03-20 | 2021-10-12 | 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 |
RU2757957C1 (en) * | 2020-12-30 | 2021-10-25 | Александр Григорьевич ВИЛЛЕР | Robotic system and method for endovascular surgery |
CN113855251A (en) * | 2021-10-12 | 2021-12-31 | 浙江理工大学 | Multi-degree-of-freedom minimally invasive surgical instrument |
CN114732450A (en) * | 2022-05-20 | 2022-07-12 | 敏捷医疗科技(苏州)有限公司 | Surgical instrument |
CN114848156A (en) * | 2020-11-30 | 2022-08-05 | 天津大学医疗机器人与智能系统研究院 | Front end actuator and method thereof, manipulator device and surgical operation instrument |
CN114983571A (en) * | 2022-04-22 | 2022-09-02 | 吉林大学 | A convenient change formula rigidity surgical instruments for pleuroperitoneal cavity minimal access surgery |
CN115252144A (en) * | 2022-09-27 | 2022-11-01 | 真健康(北京)医疗科技有限公司 | Surgical navigation positioning robot and electric end effector thereof |
RU2802687C1 (en) * | 2022-08-02 | 2023-08-30 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации" (АО "НИИТФА") | Device and a method of positioning components of x-ray visualization systems of radiotherapy complexes |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19649082C1 (en) * | 1996-11-27 | 1998-01-08 | Fraunhofer Ges Forschung | Remote control unit for implement with holder and two hexapods |
WO2008120753A1 (en) * | 2007-03-30 | 2008-10-09 | Osaka University | Medical manipulator device and actuator suitable for the same |
US20100004663A1 (en) * | 2008-07-07 | 2010-01-07 | Intuitive Surgical, Inc. | Surgical instrument wrist |
US20110319913A1 (en) * | 2010-06-25 | 2011-12-29 | Vanderbilt University | Apparatus and methods for percutaneous cochlear implantation |
RU2491161C1 (en) * | 2012-01-10 | 2013-08-27 | Олег Владимирович Галимов | Robotic system for minimally invasive surgery |
US20160249990A1 (en) * | 2013-10-07 | 2016-09-01 | Technion Research & Development Foundation Ltd. | Needle steering by shaft manipulation |
CN107334509A (en) * | 2017-01-17 | 2017-11-10 | 新加坡南科医疗系统私人有限公司 | A kind of system and method for being used to align elongate tool and inaccessible target |
-
2019
- 2019-03-27 RU RU2018122952A patent/RU2715684C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19649082C1 (en) * | 1996-11-27 | 1998-01-08 | Fraunhofer Ges Forschung | Remote control unit for implement with holder and two hexapods |
WO2008120753A1 (en) * | 2007-03-30 | 2008-10-09 | Osaka University | Medical manipulator device and actuator suitable for the same |
US20100004663A1 (en) * | 2008-07-07 | 2010-01-07 | Intuitive Surgical, Inc. | Surgical instrument wrist |
US20110319913A1 (en) * | 2010-06-25 | 2011-12-29 | Vanderbilt University | Apparatus and methods for percutaneous cochlear implantation |
RU2491161C1 (en) * | 2012-01-10 | 2013-08-27 | Олег Владимирович Галимов | Robotic system for minimally invasive surgery |
US20160249990A1 (en) * | 2013-10-07 | 2016-09-01 | Technion Research & Development Foundation Ltd. | Needle steering by shaft manipulation |
CN107334509A (en) * | 2017-01-17 | 2017-11-10 | 新加坡南科医疗系统私人有限公司 | A kind of system and method for being used to align elongate tool and inaccessible target |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113491580A (en) * | 2020-03-20 | 2021-10-12 | 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 |
CN113491580B (en) * | 2020-03-20 | 2022-05-31 | 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 |
CN114848156A (en) * | 2020-11-30 | 2022-08-05 | 天津大学医疗机器人与智能系统研究院 | Front end actuator and method thereof, manipulator device and surgical operation instrument |
RU2757957C1 (en) * | 2020-12-30 | 2021-10-25 | Александр Григорьевич ВИЛЛЕР | Robotic system and method for endovascular surgery |
WO2022146194A1 (en) * | 2020-12-30 | 2022-07-07 | Александр Григорьевич ВИЛЛЕР | Robotic system and method for performing an endovascular surgical operation |
CN113855251A (en) * | 2021-10-12 | 2021-12-31 | 浙江理工大学 | Multi-degree-of-freedom minimally invasive surgical instrument |
CN114983571A (en) * | 2022-04-22 | 2022-09-02 | 吉林大学 | A convenient change formula rigidity surgical instruments for pleuroperitoneal cavity minimal access surgery |
CN114983571B (en) * | 2022-04-22 | 2024-03-26 | 吉林大学 | Convenient replacement type rigid surgical instrument for pleuroperitoneal cavity minimally invasive surgery |
CN114732450A (en) * | 2022-05-20 | 2022-07-12 | 敏捷医疗科技(苏州)有限公司 | Surgical instrument |
RU2802687C1 (en) * | 2022-08-02 | 2023-08-30 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации" (АО "НИИТФА") | Device and a method of positioning components of x-ray visualization systems of radiotherapy complexes |
CN115252144A (en) * | 2022-09-27 | 2022-11-01 | 真健康(北京)医疗科技有限公司 | Surgical navigation positioning robot and electric end effector thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2715684C1 (en) | Self-contained mobile module of robotic surgical instrument | |
US20220087757A1 (en) | Surgical Arm | |
US11684436B2 (en) | Surgical robot driving mechanism | |
RU2636853C2 (en) | End effector with hinge assembly and endoscopic surgical apparatus drive | |
US9572628B2 (en) | Highly articulated probes with anti-twist link arrangement, methods of formation thereof, and methods of performing medical procedures | |
US11267141B2 (en) | Articulation for surgical robot | |
EP2429441B1 (en) | Remote centre of motion positioner | |
US10299873B2 (en) | Surgical instrument driving mechanism | |
US20050049580A1 (en) | Surgical instrument design | |
CN113749777A (en) | Surgical instrument platform, instrument assembly and surgical instrument | |
CN108066010B (en) | Surgical robot with flexibility and multiple degrees of freedom | |
US12004832B2 (en) | Rotatable carriage for an instrument holder | |
CN116098713A (en) | Main wrist, main operation equipment and surgical robot | |
US20230172680A1 (en) | Medical instrument having single input for driving multiple cables | |
Conrad et al. | Interleaved continuum-rigid manipulation approach: Development and functional evaluation of a clinical scale manipulator | |
WO2023171121A1 (en) | Arm device and cable deceleration device | |
US20240335244A1 (en) | Surgical robotic arm and instrument detachment | |
WO2024220525A1 (en) | Medical instrument wrist with cable routing |