RU2718595C1 - Operator control unit for robotic surgical complex - Google Patents

Operator control unit for robotic surgical complex Download PDF

Info

Publication number
RU2718595C1
RU2718595C1 RU2019138035A RU2019138035A RU2718595C1 RU 2718595 C1 RU2718595 C1 RU 2718595C1 RU 2019138035 A RU2019138035 A RU 2019138035A RU 2019138035 A RU2019138035 A RU 2019138035A RU 2718595 C1 RU2718595 C1 RU 2718595C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
controller
operator
platform
hand
rotation
Prior art date
Application number
RU2019138035A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Юрьевич Пушкарь
Рахим Суфьянович Нахушев
Original Assignee
Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд filed Critical Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд
Priority to RU2019138035A priority Critical patent/RU2718595C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2718595C1 publication Critical patent/RU2718595C1/en
Priority to PCT/RU2020/050342 priority patent/WO2021107819A1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/77Manipulators with motion or force scaling
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/06Control stands, e.g. consoles, switchboards
    • B25J13/065Control stands, e.g. consoles, switchboards comprising joy-sticks

Abstract

FIELD: medicine.SUBSTANCE: invention refers to medicine, namely to monitoring and controlling robotic surgical complexes for conducting minimally invasive surgical operations. Operator control system for the robot-surgical complex comprises a fixed support platform, a movable platform, an actuating mechanism of the actuator and a tensoplatform. Movable platform is located parallel to fixed support platform and is connected to it by means of actuator of parallel structure. Actuator of the parallel structure represents three kinematic chains connected by their one ends to the corresponding bearing units fixed on the fixed support platform, and by other ends – to the movable platform. Each link of drive mechanism is made in the form of crank-and-rod mechanism actuated by servo drive with ball-screw transmission. Tensoplatform is installed between movable platform and fixed support platform and is connected to the latter by means of cylindrical guides. On tensoplatform, strain gages are arranged adjacent to platform due ball-screw transmission. To the movable platform the control handle is attached with the possibility of its coverage by the operator's hand and configured for control and conversion into digital signal of operator's hand movement in at least three rotational degrees of freedom and force action on tensoplatform by three linear degrees of freedom. Signal generated on the strain gauges is transmitted to a digital control unit of the controller which calculates and transmits a weight compensation command to the servo drive of the corresponding link of the drive mechanism of said actuator.EFFECT: invention provides reduced load on hands of surgeon and higher accuracy of determining position and range of movement of hands.8 cl, 11 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

[1] Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к механизмам - контроллерам, предназначенным для управления оператором мехатронными устройствами. Контроллер может быть применен в следующих областях: роботизация, телеоперация, минимальная инвазивная хирургия, тренажеры, компьютерные игры и другие. Более конкретно, изобретение может относится к области контроля и управления роботизированными хирургическими комплексами для проведения минимально инвазивных хирургических операций и для симуляции таких хирургических операций в виртуальной среде.[1] The invention relates to the field of mechanical engineering, namely, to mechanisms - controllers designed to control the operator of mechatronic devices. The controller can be used in the following areas: robotics, teleoperation, minimal invasive surgery, simulators, computer games and others. More specifically, the invention may relate to the field of monitoring and controlling robotic surgical complexes for minimally invasive surgeries and for simulating such surgeries in a virtual environment.

Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

[2] Современные роботы повышают производственную эффективность, прежде всего автоматизируя выполнение технологических процессов. Однако, роботы имеют и иные преимущества, создающие основу инновационных технологий и изделий. [2] Modern robots increase production efficiency, primarily by automating the execution of technological processes. However, robots have other advantages that create the basis of innovative technologies and products.

[3] Так, использование в хирургии робота, а корректнее, ассистирующего мехатронного комплекса, позволяет получить на сегодняшний день недоступные врачу функциональные возможности и качество: возможность проникать через малый разрез к труднодоступным областям и оперировать их; точность и заданная скорость перемещения инструмента; отсутствие тремора; жесткость и другое. Все эти действия пока не могут выполняться роботом автоматически и требуют специального контроля и управления оператором-хирургом мехатронного устройства. Такой контроль реализуется специальным пространственным механизмом - контроллером оператора.[3] Thus, the use of a robot in surgery, or rather, an assisting mechatronic complex, allows you to get the functionality and quality that are inaccessible to a doctor: the ability to penetrate difficult areas and operate them through a small incision; accuracy and set tool speed; lack of tremor; stiffness and more. All these actions cannot yet be performed automatically by the robot and require special monitoring and control by the operator-surgeon of the mechatronic device. Such control is implemented by a special spatial mechanism - the operator's controller.

[4] С одной стороны, контроллер, в прямом порядке работы, обеспечивает управление и контроль исполнительного механизма, с другой стороны, в обратном порядке работы, он позволяет реализовать тактильное ощущение через виртуальный контакт с исполнительным механизмом. В качестве исполнительного механизма может выступать робот или манипулятор, а в качестве тактильного устройства - контроллер, силы воздействия которого ограничены и соизмеримы с силой рук оператора. Контроллер, управляемый рукой оператора, генерирует один или несколько управляющих сигналов, которые затем используются для управления различными движениями ассистирующего мехатронного комплекса, преобразуя механические движения руки по шести степеням свободы в команды для мехатронного комплекса. Контроллер также предоставляет пользователю информацию с обратной связью по силе, поступающую на вход движения и/или силы, генерируемой пользователем.[4] On the one hand, the controller, in the direct order of operation, provides control and monitoring of the actuator, on the other hand, in the reverse order of operation, it allows you to realize a tactile sensation through virtual contact with the actuator. A robot or a manipulator can act as an actuator, and a controller, whose impact forces are limited and commensurate with the strength of the operator’s hands, can act as a tactile device. The controller, controlled by the operator’s hand, generates one or more control signals, which are then used to control various movements of the assisting mechatronic complex, converting the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into commands for the mechatronic complex. The controller also provides the user with feedback on the force received at the input of the movement and / or force generated by the user.

[5] Контроллер для дистанционного управления движением роботохирургического комплекса может быть отделен от исполнительного механизма значительным расстоянием (например, контроллер может быть в другой комнате или в совершенно другом здании).[5] The controller for remote control of the movement of the robotic surgical complex can be separated from the actuator by a considerable distance (for example, the controller can be in another room or in a completely different building).

[6] Анализ уже созданных и используемых контроллеров, только в роботохирургии, позволил выявить многочисленные замечания, такие как: большой размер контроллеров, отсутствие обратной связи, большой вес контроллеров, невозможность изменить позу расположения оператора перед контроллером, ограниченная точность оцифровки перемещения руки оператора, ограниченный «клач» и другое.[6] Analysis of the controllers already created and used, only in robotic surgery, revealed numerous comments, such as: the large size of the controllers, the lack of feedback, the large weight of the controllers, the inability to change the position of the operator in front of the controller, limited accuracy of digitizing the movement of the operator’s hand, limited “Cry” and more.

[7] Заявка US 2019201147 А1 описывает контроллер управления роботизированной системой, используемой для лапароскопической хирургии, в частности, для управления хирургическими инструментами. Контроллер является задающим органом, конструктивно построенным на принципах параллельной структуры и имеющим механизм дельта-робота. Контроллер включает устройство ввода, выполненное в виде рукоятки, способной к поступательным и вращательным перемещениям. Хирургический инструмент позиционируется и перемещается в зависимости от положения и ориентации рукоятки контроллера. Поступательные перемещения рукоятки, реализованные механизмом дельта-робота, обеспечивают три поступательные степени свободы перемещения хирургического устройства, а три вращательные степени свободы хирургического устройства обеспечены за счет возможности вращения рукоятки. Приводное звено дельта-робота имеет тросовую конструкцию передачи и включает в себя по меньшей мере один привод и по меньшей мере один датчик положения, который позволяет измерять угол отклонения дельта-робота относительно соответствующей оси.[7] Application US 2019201147 A1 describes a controller for controlling a robotic system used for laparoscopic surgery, in particular for controlling surgical instruments. The controller is a master body, constructively built on the principles of a parallel structure and having a delta robot mechanism. The controller includes an input device made in the form of a handle capable of translational and rotational movements. The surgical instrument is positioned and moved depending on the position and orientation of the controller handle. The translational movements of the handle, implemented by the delta robot mechanism, provide three translational degrees of freedom of movement of the surgical device, and three rotational degrees of freedom of the surgical device are provided due to the possibility of rotation of the handle. The drive link of the delta robot has a cable transmission structure and includes at least one drive and at least one position sensor, which allows you to measure the angle of deviation of the delta robot relative to the corresponding axis.

[8] В качестве основного недостатка описанного выше контроллера можно выделить особенности приводного механизма, которые не позволяют получить требуемую жесткость и точность конструкции за из-за использования тросовой передачи, так как любому тросу свойственно растяжение, из-за чего появляется люфт в механизме. Это влечет за собой неудовлетворительные последствия, масштабируемые системой управления. Также отсутствует система обратной связи.[8] As the main drawback of the controller described above, it is possible to single out the features of the drive mechanism, which do not allow to obtain the required rigidity and structural accuracy due to the use of a cable transmission, since any cable is characterized by tension, which causes a backlash in the mechanism. This entails unsatisfactory consequences that are scalable by the management system. There is also no feedback system.

[9] Заявка US 2014192020 A1 описывает контроллер руки для роботизированных хирургических вмешательств, с помощью которого посредством изменения его положения и ориентации осуществляется приведение в движение различных узлов роботохирургического комплекса с целью манипулирования хирургическим инструментом.[9] Application US 2014192020 A1 describes a hand controller for robotic surgical interventions, by means of which, by changing its position and orientation, various nodes of the robotic surgical complex are set in motion to manipulate a surgical instrument.

[10] Контроллер имеет в составе дельта-робот, контроллер кисти и контроллер запястья. Контроллер имеет шесть степеней свободы и одну степень свободы, обеспечивающую схватывание (фиг. 1). Три из указанных степеней свободы - это линейные степени свободы, обеспеченные по осям X, Y, Z и осуществляемые кинематикой дельта-робота, другие три степени свободы - это три вращательные степени свободы, две из которых отрабатывает контроллер запястья, а оставшуюся степень свободы и угол захвата выполняет контроллер кисти. Контроллер снабжен энкодерами и двигателями для совершения преобразования движения руки оператора в цифровую форму, а также системой измерения тока и напряжения в двигателях для косвенного определения крутящего момента или силы.[10] The controller includes a delta robot, a brush controller and a wrist controller. The controller has six degrees of freedom and one degree of freedom, providing seizure (Fig. 1). Three of these degrees of freedom are linear degrees of freedom provided by the X, Y, Z axes and implemented by the kinematics of the delta robot, the other three degrees of freedom are three rotational degrees of freedom, two of which are handled by the wrist controller, and the remaining degree of freedom and angle The capture is performed by the brush controller. The controller is equipped with encoders and motors for converting the movement of the operator’s hand into digital form, as well as a system for measuring current and voltage in the motors to indirectly determine torque or force.

[11] Дельта-робот в конструкции контроллера, описываемого в US 2014192020 A1, приводится в действие тросовой системой, которая не гарантирует жесткость конструкции, так как со временем неизбежно приводит к люфту механизма. А от жесткости конструкции зависит точность, кинематика и динамика контроллера. В то же время масштабируемость системы ограничена максимальным моментом, передаваемым тросовым приводом. Используемая система измерения тока и напряжения в двигателе обладает малыми точностью и быстродействием.[11] The delta robot in the controller design described in US 2014192020 A1 is driven by a cable system, which does not guarantee the rigidity of the structure, since over time it inevitably leads to a backlash of the mechanism. And the accuracy, kinematics and dynamics of the controller depend on the rigidity of the structure. At the same time, the scalability of the system is limited by the maximum moment transmitted by the cable drive. The used system for measuring current and voltage in the motor has low accuracy and speed.

[12] Известный уровень техники не позволяет в одной конструкции контроллера руки решить следующую совокупность проблем, что понижает эффективность его работы:[12] The prior art does not allow in one design of the hand controller to solve the following set of problems, which reduces the efficiency of its work:

a. обеспечение жесткости приводного механизма, что гарантирует точность измерение сигналов о положении руки в пространстве;a. ensuring the rigidity of the drive mechanism, which guarantees the accuracy of measuring signals about the position of the hand in space;

b. точность приводного механизма, что обеспечивает требуемую точность перемещения по степеням свободы;b. accuracy of the drive mechanism, which provides the required accuracy of movement in degrees of freedom;

c. измерение тока и напряжения на приводах механизма контроллера, что дает достаточно точные результаты для определения косвенных значений крутящего момента или силы.c. measurement of current and voltage on the drives of the controller mechanism, which gives sufficiently accurate results to determine indirect values of torque or force.

[13] Таким образом, существует потребность в создании универсального контроллера, который бы имел возможность обеспечить минимальную нагрузку веса на руку во время работы и имел возможность в обратном порядке преобразовывать цифровой управляющий сигнал в механическое перемещение-поворот элементов контроллера, передавая его на руки и пальцы хирурга. Конструкция данного контроллера должна обеспечить по меньшей мере 6 степеней свободы движения, из них три степени — это поступательные перемещения и три вращательные степени свободы. Также обеспечивается одна степень свободы для обеспечения захвата. Все движения, совершаемые контроллером, должны иметь интуитивно понятное взаимодействие с хирургическим инструментом для реализации их в хирургических процедурах.[13] Thus, there is a need to create a universal controller that would be able to provide a minimum weight load on the hand during operation and would be able to reverse convert the digital control signal into mechanical movement-rotation of the controller elements, transmitting it to hands and fingers surgeon. The design of this controller should provide at least 6 degrees of freedom of movement, of which three degrees are translational displacements and three rotational degrees of freedom. One degree of freedom is also provided for capture. All movements made by the controller must have an intuitive interaction with the surgical instrument for their implementation in surgical procedures.

[14] Именно решению перечисленных проблем посвящена данная заявка.[14] This application is dedicated to the solution of these problems.

Суть изобретенияThe essence of the invention

[15] Технической задачей настоящего изобретения является создание универсального цифрового контроллера, повышающего эффективность управления мехатронными устройствами, в том числе роботохирургическими комплексами. При этом под эффективностью управления в данном случае понимают сокращение нагрузки на руки оператора-хирурга, повышение точности определения положения и диапазона перемещения рук, мобильность.[15] An object of the present invention is to provide a universal digital controller that increases the efficiency of controlling mechatronic devices, including robotic surgical complexes. At the same time, in this case, management efficiency is understood to mean reducing the load on the hands of the surgeon, increasing the accuracy of determining the position and range of hand movements, mobility.

[16] Дополнительной технической задачей является создание контроллера, который позволяет осуществлять взаимодействие человека посредством руки с мехатронным комплексом, прежде всего, с роботом, как задавая ему команду, так и получая обратные реакции в ответ. [16] An additional technical task is the creation of a controller that allows human interaction through the hand with the mechatronic complex, primarily with the robot, both by giving him a command and receiving feedback in response.

[17] При этом разрабатываемый контроллер должен быть также универсальным при использовании его с разными мехатронными комплексами.[17] In this case, the developed controller should also be universal when used with different mechatronic complexes.

[18] С целью решения поставленных задач разработанный контроллер оператора для управления роботохирургическим комплексом включает неподвижную опорную платформу, подвижную платформу, расположенную и передвигающуюся параллельно неподвижной опорной платформе, соединенную с ней посредством исполнительного механизма параллельной структуры, приводной механизм исполнительного механизма и тензоплатформу, установленную между подвижной платформой и неподвижной опорной платформой и соединенную с последней посредством цилиндрических направляющих. Каждое звено приводного механизма выполнено в виде кривошипно-шатунного механизма, приводимого в движение сервоприводом с шарико-винтовой передачей. На тензоплатформе расположены сопряженные с каждой шарико-винтовой передачей тензодатчики. При этом исполнительный механизм параллельной структуры представляет собой три кинематические цепи, связанные одними своими концами с соответствующими подшипниковыми узлами, закрепленными на неподвижной опорной платформе, а другими концами - с подвижной платформой. При этом к подвижной платформе прикреплена управляющая ручка с возможностью ее охвата кистью руки оператора и сконфигурированная для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения руки оператора по меньше мере по трем вращательным степеням свободы и силового воздействия на тензоплатформу по трем линейным степеням свободы. При этом формирующийся на тензодатчиках сигнал передаётся на цифровой блок управления контроллером, который рассчитывает и передает на сервопривод соответствующего звена приводного механизма упомянутого исполнительного механизма команды компенсации веса и/или иные компенсационные перемещения по планируемой траектории, рассчитанной на основе полученных данных.[18] In order to solve the tasks, the developed operator controller for controlling the robotic surgical complex includes a fixed support platform, a movable platform located and moving parallel to the fixed support platform, connected to it by an actuator of a parallel structure, an actuator mechanism of the actuator and a tensile platform installed between the movable platform and fixed support platform and connected to the latter by means of cylindrical vlyayuschih. Each link of the drive mechanism is made in the form of a crank mechanism, driven by a servo-drive with a ball screw transmission. Strain gauges connected to each ball screw transmission are located on the load platform. In this case, the actuator of the parallel structure consists of three kinematic chains connected at one of their ends to the corresponding bearing units mounted on a fixed support platform, and at the other ends to a movable platform. At the same time, a control handle is attached to the movable platform with the ability to be covered by the operator’s hand and configured to control and convert into a digital signal the movement of the operator’s hand with at least three rotational degrees of freedom and force impact on the tensile platform in three linear degrees of freedom. In this case, the signal formed on the load cells is transmitted to the digital control unit of the controller, which calculates and transfers to the servo drive of the corresponding link of the drive mechanism of the said actuator the weight compensation commands and / or other compensation movements along the planned path calculated on the basis of the received data.

[19] В некоторых вариантах осуществления изобретения исполнительный механизм параллельной структуры представляет собой дельта-робот.[19] In some embodiments, the parallel structure actuator is a delta robot.

[20] В некоторых вариантах осуществления изобретения сервопривод выполнен со встроенным электромагнитным тормозом и датчиком положения углов.[20] In some embodiments of the invention, the servo is made with an integrated electromagnetic brake and an angle position sensor.

[21] При этом управляющая ручка контроллера включает контроллер запястья, сконфигурированного для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения запястья оператора по двум вращательным степеням свободы в ортогональных плоскостях, и контроллер кисти, обеспечивающий непосредственный контакт со всей поверхностью кисти оператора во время управления контроллером. [21] In this case, the control handle of the controller includes a wrist controller configured to control and convert into a digital signal the movement of the wrist of the operator along two rotational degrees of freedom in orthogonal planes, and a hand controller that provides direct contact with the entire surface of the hand of the operator during control of the controller.

[22] Контроллер кисти включает рукоятку для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения кисти оператора по одной вращательной степени свободы и пальцевые схваты для контроля и преобразования в цифровой сигнал положения пальцев руки оператора относительно рукоятки.[22] The brush controller includes a handle for monitoring and converting the operator’s hand movement into a digital signal according to one rotational degree of freedom, and finger grips for controlling and converting the position of the operator’s fingers on the handle into a digital signal.

[23] Контроллер запястья включает блок механизма поворота и блок подвижной консоли.[23] The wrist controller includes a rotation mechanism unit and a movable console unit.

[24] Кроме того, управляющая ручка включает блок управления контроллером запястьем, блок управления контроллером кисти, датчик поворота блока механизма поворота, датчик поворота блока подвижной консоли, приводной элемент блока механизма поворота, приводной элемент блока подвижной консоли, датчик поворота пальцевых схватов, датчик поворота рукоятки, приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого схвата, приводной элемент рукоятки.[24] In addition, the control handle includes a wrist controller control unit, a brush controller control unit, a rotation sensor of a rotation mechanism unit, a rotation sensor of a movable console unit, a drive element of the rotation mechanism unit, a drive element of the mobile console unit, a finger grip rotation sensor, a rotation sensor the handle, the drive element of at least one finger grip, the drive element of the handle.

[25] Кроме того, цифровой блок управления сконфигурирован для получения сигналов о текущем состоянии усилий со стороны оператора от тензоплатформы и/или сигналов от контроллера кисти о повороте рукоятки и/или по меньшей мере одного пальцевого схвата и/или сигналов от контроллера запястья о повороте блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли и передачи полученных сигналов на внешнюю систему управления роботохирургическим комплексом. Кроме того, цифровой блок управления сконфигурирован для получения управляющих сигналов от внешней системы управления роботохирургическим комплексом и передачи их на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли и/или приводной элемент рукоятки и/или приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого схвата.[25] In addition, the digital control unit is configured to receive signals about the current state of efforts from the operator from the strain platform and / or signals from the hand controller to turn the handle and / or at least one finger grip and / or signals from the wrist controller to turn a block of the rotation mechanism and / or a block of the mobile console and transmitting the received signals to an external control system of the robotic surgical complex. In addition, the digital control unit is configured to receive control signals from an external control system of the robotic surgical complex and transmit them to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit and / or the handle drive element and / or the drive element of at least one finger grasp.

[26] Поставленные задачи достигаются тем, что используется усовершенствованная конструкция контроллера, а точнее приводного механизма дельта робота, которая позволит увеличить жесткость и точность конструкции, обеспечит высокую информативность приложенных сил со стороны оператора. Приводное звено в виде кривошипно-шатунного механизма, приводимого в движение шарико-винтовой передачей, обладает высоким передаточным числом. Такая схема обеспечивает большую нагрузочную способность и высокий момент для беспрепятственной масштабируемости системы. [26] The tasks are achieved by using an advanced controller design, or rather the drive mechanism of the delta robot, which will increase the rigidity and accuracy of the design, will provide high information content of the applied forces on the part of the operator. The drive link in the form of a crank mechanism driven by a ball screw transmission has a high gear ratio. Such a scheme provides a large load capacity and a high moment for unimpeded scalability of the system.

[27] Применение в качестве измерительного устройства сил тензодатчика или модуля из таких датчиков дает возможность получения цифровой информации в трехмерном пространстве о прикладываемой силе, векторе приложения силы и ускорении приложения силы, во время управления мехатронным комплексом.[27] The use of the force of a strain gauge or module from such sensors makes it possible to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of the application of force and the acceleration of the application of force, while controlling the mechatronic complex.

[28] Масштабируемость системы позволяет изменять амплитуду совершаемых на контроллере управления движения рук и преобразовать их в команды точной манипуляции инструментов в теле пациента. Оператор, управляя контроллером, тратит меньше энергии и испытывает меньшее напряжение, что позволяет ему проводить более длительные манипуляции. При этом инструменты повторяют движение его рук.[28] The scalability of the system allows you to change the amplitude of hand movements performed on the control controller and convert them into commands for precise manipulation of instruments in the patient’s body. The operator, controlling the controller, spends less energy and experiences less stress, which allows him to carry out longer manipulations. In this case, the instruments repeat the movement of his hands.

[29] Увеличение масштабируемости и повышение точности контроллера достигаются за счет использования жестких и точных кинематических схем, которые обеспечивают прецизионные движения как контроллера, так и хирургического инструмента. [29] Increased scalability and increased accuracy of the controller are achieved through the use of rigid and accurate kinematic schemes that provide precise movements of both the controller and the surgical instrument.

[30] Объекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны специалистам после рассмотрения следующего подробного описания и чертежей.[30] The objects and advantages of the present invention will become more apparent to those skilled in the art upon consideration of the following detailed description and drawings.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

[31] 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. [31] The accompanying drawings, which are incorporated in and form part of this specification, 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.

[32] Фиг. 1 иллюстрирует общий вид прототипа контроллера управления.[32] FIG. 1 illustrates a general view of a prototype control controller.

[33] Фиг. 2 иллюстрирует общий вид роботохирургического комплекса.[33] FIG. 2 illustrates a general view of a robotic surgical complex.

[34] Фиг. 3 иллюстрирует перспективный вид контроллера по настоящему изобретению, предназначенного для управления оператором мехатронными устройствами.[34] FIG. 3 illustrates a perspective view of a controller of the present invention for controlling an operator with mechatronic devices.

[35] Фиг. 4 иллюстрирует разработанную модель блока позиционирования контроллера руки, выполненного в виде дельта-робота в предпочтительном варианте осуществления изобретения.[35] FIG. 4 illustrates a developed model of a positioning unit of a hand controller configured as a delta robot in a preferred embodiment of the invention.

[36] Фиг. 5 иллюстрирует исходное положение дельта робота.[36] FIG. 5 illustrates the initial position of the delta robot.

[37] Фиг. 6 иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления приводного механизма, входящего в состав контроллера руки.[37] FIG. 6 illustrates a preferred embodiment of a drive mechanism included with a hand controller.

[38] Фиг. 7 иллюстрирует реализацию тензодатчика в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения.[38] FIG. 7 illustrates an implementation of a strain gauge in one embodiment of the present invention.

[39] Фиг. 8 иллюстрирует дельта-робот в сборе согласно настоящему изобретению.[39] FIG. 8 illustrates a delta robot assembly according to the present invention.

[40] Фиг. 9 представляет собой конструкцию контроллера оператора, состоящую из контроллера руки, контроллера запястья и контроллера кисти. [40] FIG. 9 is a construction of an operator controller consisting of a hand controller, a wrist controller, and a hand controller.

[41] Фиг. 10 схематично отражает схема управления контроллером.[41] FIG. 10 schematically illustrates a controller control circuit.

[42] Фиг. 11 схематически отражает плоскости, в которых осуществляются движения кисти оператора в лучезапястном суставе.[42] FIG. 11 schematically reflects the planes in which movements of the operator’s hand in the wrist joint are performed.

Термины и определенияTerms and Definitions

[43] Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.[43] For a better understanding of the present invention, the following are some of the terms used in the present description of the invention. Unless defined separately, technical and scientific terms in this application have standard meanings generally accepted in the scientific and technical literature.

[44] В настоящем описании и в формуле изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е., в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».[44] In the present description and in the claims, the terms “includes”, “including” and “includes”, “having”, “equipped”, “comprising” and their other grammatical forms are not intended to be interpreted in an exceptional sense, but on the contrary, they are used in a non-exclusive sense (ie, in the sense of “having in its composition”). As an exhaustive list, only expressions of the “consisting of” type should be considered.

[45] В настоящих материалах заявки под терминами «роботизированный технологический комплекс», «роботизированная система», «роботизированный комплекс», «роботохирургический комплекс», «роботохирургическая система» понимают сложные системы или комплексы в хирургии с использованием ассистирующего робота во время операции. «Робот-ассистивные системы» или «робот-ассистированные хирургические системы» - это роботизированные системы, предназначенные для проведения медицинских операций. Это не автономные устройства. Робот-ассистивными системами при проведении операции управляют хирурги.[45] In the present application materials, the terms “robotic technological complex”, “robotic system”, “robotic complex”, “robotic surgical complex”, “robotic surgical system” mean complex systems or complexes in surgery using an assisting robot during an operation. “Robot-assisted systems” or “robot-assisted surgical systems” are robotic systems designed for medical operations. These are not standalone devices. During assisted operations, robotic assistive systems are controlled by surgeons.

[46] В настоящих материалах заявки под термином «мехатронный комплекс» или «мехатронная система» понимают комплекс или систему с компьютерным управлением движения, которые базируются на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.[46] In the present application materials, the term "mechatronic complex" or "mechatronic system" is understood to mean a complex or system with computer-controlled movement, which are based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science, and computer-controlled movement of machines and assemblies.

[47] В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами.[47] In the present application, the term "operator" means the surgeon performing the operation of the doctor. The signs "operator" and "surgeon" in the present description of the invention are synonymous.

[48] В настоящей заявке используются следующие термины для описания движений кисти в лучезапястном суставе (фиг. 11). Движения кисти происходят вокруг двух осей, когда кисть находится в анатомическом положении, т.е., в положении полной супинации. Поперечная ось АА′ лежит во фронтальной плоскости Т и контролирует движения сгибания и разгибания, осуществляемые в сагиттальной плоскости: [48] The following terms are used in this application to describe hand movements in the wrist joint (FIG. 11). Hand movements occur around two axes when the hand is in the anatomical position, i.e., in the position of full supination. The transverse axis AA ′ lies in the frontal plane T and controls the movements of flexion and extension carried out in the sagittal plane:

- отклонение (девиация) кисти или флексия (стрелка 1) - передняя (ладонная) поверхность кисти движется к передней поверхности предплечья, - deviation (deviation) of the hand or flexion (arrow 1) - the front (palmar) surface of the hand moves to the front surface of the forearm,

- отклонение (девиация) кисти или экстензия (стрелка 2) - задняя (тыльная) поверхность кисти движется к задней поверхности предплечья. - deviation (deviation) of the hand or extension (arrow 2) - the back (back) surface of the hand moves to the back surface of the forearm.

[49] Переднезадняя ось ВВ′ лежит в сагиттальной плоскости S и контролирует движения приведения и отведения, происходящие во фронтальной плоскости:[49] The anteroposterior axis of BB ′ lies in the sagittal plane S and controls the movements of the reduction and abduction occurring in the frontal plane:

- приведение или локтевая девиация (стрелка 3) - перемещение кисти по направлению к продольной оси тела, ее внутренний (ульнарный) край образует тупой угол с внутренним краем предплечья;- reduction or ulnar deviation (arrow 3) - movement of the hand towards the longitudinal axis of the body, its inner (ulnar) edge forms an obtuse angle with the inner edge of the forearm;

- отведение или лучевая девиация (стрелка 4) - перемещение кисти от продольной оси тела, ее наружный (лучевой) край образует тупой угол с наружным краем предплечья.- abduction or radial deviation (arrow 4) - movement of the hand from the longitudinal axis of the body, its outer (radial) edge forms an obtuse angle with the outer edge of the forearm.

[50] Продольная ось СС′ лежит на пересечении плоскостей S и Т и контролирует движения вращения кисти:[50] The longitudinal axis CC ′ lies at the intersection of the planes S and T and controls the movements of rotation of the hand:

- поворот лучевой кости (стрелка 5) вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси.- rotation of the radius (arrow 5) together with the brush around the ulna relative to the longitudinal axis.

[51] Под термином «универсальный» в части его использования относительно контроллера в данном документе поднимают контроллер, который «оцифровывает» руку оператора и позволяет не тренировать руку оператора на каждый новый инструмент без последующих изменений конструкции контроллера. Освоив контроллер один раз, оператор использует его на протяжении длительного периода своей практики, благодаря свойству контроллера интегрироваться ("представлять" руку хирурга) в различных мехатронных устройствах.[51] Under the term “universal” in terms of its use, a controller is raised in relation to the controller in this document, which “digitizes” the operator’s hand and allows not to train the operator’s hand on each new instrument without subsequent changes to the controller’s design. Having mastered the controller once, the operator uses it for a long period of his practice, due to the controller’s ability to integrate (“represent” the surgeon’s hand) in various mechatronic devices.

[52] Под термином «абсолютное положение» в данной документе понимают координату, определенную относительно неподвижного элемента конструкции.[52] The term "absolute position" in this document refers to a coordinate defined relative to a fixed structural member.

[53] Под термином «датчик поворота» в данном документе понимают устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта в электрические или аналоговые сигналы, позволяющие определить угол его поворота.  Для определения значения угла поворота того или иного элемента в принципе подходят все виды угловых датчиков. Однако, в большинстве используемых датчиков требуется, прежде всего, постоянная регистрация и сохранение текущих данных о повороте элемента. Датчики поворота могут быть использованы на основе инкрементальных и абсолютных энкодеров. Датчики имеют цифровые выходные сигналы Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profinet и другие. Также могут быть использованы датчики на основе аналоговых датчиков угла поворота и/или магнитных датчиков угла поворота.[53] The term "rotation sensor" in this document refers to a device designed to convert the angle of rotation of a rotating object into electrical or analog signals, allowing to determine the angle of rotation. To determine the value of the angle of rotation of an element, in principle, all types of angle sensors are suitable. However, in the majority of used sensors, it is necessary, first of all, to constantly register and save current data on the rotation of the element. Rotary encoders can be used based on incremental and absolute encoders. The sensors have digital output signals Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profinet and others. Sensors based on analogue angle sensors and / or magnetic angle sensors can also be used.

[54] Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.д. используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты. [54] In addition, the terms “first”, “second”, “third”, etc. they are used simply as conditional markers, without imposing any numerical or other restrictions on the enumerated objects.

[55] Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов).[55] The term “connected” means functionally connected, any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[56] Описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенное ниже, приводится исключительно в качестве примера и предназначено для иллюстративных целей, и не предназначено для ограничения объема раскрываемого изобретения.[56] The description of exemplary embodiments of the present invention below is provided by way of example only and is for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the invention disclosed.

[57] Система роботохирургического комплекса включает в себя три основных узла. Первый узлом являются контроллеры, служащие задающим устройством и с которыми непосредственно взаимодействует хирург. Вторым исполнительным узлом является манипуляторы, на которых установлены медицинские инструменты. В зависимости от выполняемой процедуры имеется возможность смены медицинского инструмента на необходимый для данной стадии операции. Третьим узлом роботохирургического комплекса является вычислительный блок, с помощью которого осуществляются все взаимодействия системы. [57] The system of the robotic surgical complex includes three main nodes. The first node is the controllers that serve as the master device and with which the surgeon interacts directly. The second executive unit is the manipulators on which medical instruments are installed. Depending on the procedure being performed, it is possible to change the medical instrument to the one necessary for this stage of the operation. The third node of the robotic surgery complex is a computing unit, with the help of which all system interactions are carried out.

[58] Роботохирургический комплекс может быть использован при проведении различных хирургических вмешательств, в том числе в урологии, гинекологии абдоминальной, нейро- и кардиохирургии. Пример роботохирургического комплекса приведен на фиг. 2.[58] The robotic surgical complex can be used in various surgical interventions, including urology, abdominal gynecology, neuro- and cardiac surgery. An example of a robotic surgical complex is shown in FIG. 2.

[59] Роботохирургический комплекс 300 имеет в составе по меньшей мере один манипулятор 310 с прикрепленным к нему хирургическим инструментом 320, электронный блок управления манипулятором 330 и интерфейс оператора 340, который получает команды от хирурга, преобразует их в движение хирургического инструмента 320 внутри тела пациента во время проведения хирургической операции и/или обеспечивает все управляющие команды от хирурга комплектующим роботохирургического комплекса. Главным источником команд является рука хирурга. Рука управляет контроллером хирурга, входящего в состав интерфейса хирурга.[59] The robotic surgical complex 300 includes at least one manipulator 310 with a surgical instrument 320 attached to it, an electronic manipulator control unit 330 and an operator interface 340, which receives commands from the surgeon, converts them into movement of the surgical instrument 320 inside the patient’s body during the time of the surgical operation and / or provides all control teams from the surgeon with components of the robotic surgical complex. The main source of commands is the surgeon's hand. The hand controls the controller of the surgeon, which is part of the surgeon's interface.

[60] Контроллер хирурга преобразует механические движения руки по шести степеням свободы в команды для роботохирургического комплекса 300. Контролер формирует команду на перемещение манипулятора с хирургическим инструментом в пространстве. Дополнительно контроллер выполняет управление поворотом и/или отклонением хирургического инструмента относительно одной оси и открытием/закрытием бранша на хирургическом инструменте.[60] The controller of the surgeon converts the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into teams for the robotic surgical complex 300. The controller forms a command to move the manipulator with the surgical instrument in space. Additionally, the controller controls the rotation and / or deviation of the surgical instrument relative to one axis and the opening / closing of the jaw on the surgical instrument.

[61] Обычно манипуляторы с хирургическим инструментом смонтированы на хирургическом столе, на котором лежит пациент при проведении операции. В некоторых вариантах осуществления манипуляторы могут быть помещены на тележку или какое-то другое приспособление, в котором манипуляторы будут находиться проксимальнее уровня пациента. Следует понимать, что роботохирургический комплекс 300 может иметь любое число манипуляторов, так, например, один или более манипуляторов. Манипуляторы могут иметь любую конфигурацию.[61] Typically, manipulators with a surgical instrument are mounted on the surgical table on which the patient rests during surgery. In some embodiments, the manipulators may be placed on a trolley or some other device in which the manipulators will be proximal to the patient's level. It should be understood that the robotic surgical complex 300 may have any number of manipulators, for example, one or more manipulators. Manipulators can have any configuration.

[62] Каждый манипулятор 310 имеет корпус и узел манипулятора, к которому съемно присоединен хирургический инструмент 320, перемещением и ориентацией которого имеет возможность манипулировать хирург с помощью контроллера, который оцифровывает руку хирурга.[62] Each manipulator 310 has a body and a manipulator assembly to which a surgical instrument 320 is removably connected, the movement and orientation of which is possible for the surgeon to manipulate using a controller that digitizes the surgeon's hand.

[63] Поскольку хирург может управлять движением и ориентацией хирургических инструментов, не удерживая инструмент непосредственно в руке, то хирург может использовать комплекс как в сидячем, так и стоячем положении. В качестве приспособления для сидячего положения комплекс может быть обеспечен креслом.[63] Since the surgeon can control the movement and orientation of surgical instruments without holding the instrument directly in the hand, the surgeon can use the complex in both a sitting and standing position. As a device for a sitting position, the complex can be provided with a chair.

[64] Таким образом, контроллер управления, с которым взаимодействует рука хирурга, является важным звеном системы роботохирургического комплекса. Контроллер должен максимально точно и достаточно быстро считывать все совершаемые перемещения руки, запястья и кисти, не доставляя при этом дискомфорт хирургу. Так как проводимые хирургические вмешательства длятся часами, то в течение всего этого времени эргономика данного устройства должна быть максимально комфортной. [64] Thus, the control controller with which the surgeon's hand interacts is an important link in the robotic surgical complex system. The controller should accurately and quickly enough read all the movements of the hand, wrist and hand, without causing discomfort to the surgeon. Since the ongoing surgical interventions last for hours, then throughout this time the ergonomics of this device should be as comfortable as possible.

[65] Масштабируемость системы позволяет изменять амплитуду движения контроллера, которым управляет оператор, и преобразовывать движения контроллера, увеличивая/уменьшая их в процессе преобразования, в точные манипуляции медицинских инструментов в теле пациента. Оператор, управляя контроллером, тратит меньше энергии, что позволяет ему проводить более длительные манипуляции, при этом медицинские инструменты повторяют движения его рук. Чтобы увеличить масштабируемость и повысить точность данного устройства, необходимо использовать жесткие и точные кинематические схемы, которые обеспечат прецизионные движения хирургического инструмента.[65] The scalability of the system allows you to change the amplitude of the controller’s movement, which the operator controls, and convert the controller’s movements, increasing / decreasing them during the conversion, into precise manipulations of medical instruments in the patient’s body. The operator, controlling the controller, spends less energy, which allows him to carry out longer manipulations, while medical instruments repeat the movements of his hands. In order to increase scalability and improve the accuracy of this device, it is necessary to use rigid and accurate kinematic schemes that will ensure the precision movements of the surgical instrument.

[66] Предлагаемое изобретение (контроллер) относится к классу механизмов, обеспечивающих преобразование в электронный цифровой сигнал команд, которые человек задает движением руки. Контроллер в целом состоит из управляющей ручки, блока-платформы позиционирования и цифрового блока управления.[66] The present invention (controller) relates to a class of mechanisms for converting commands that a person sets with a hand movement into an electronic digital signal. The controller as a whole consists of a control knob, a positioning platform block and a digital control unit.

[67] Общий вид контроллера изображен на фиг. 3. Контроллер цифровой 1000 в целом состоит из управляющей ручки 1100, блока-платформы позиционирования 1200 и цифрового блока управления (не показан на чертеже). [67] A general view of the controller is shown in FIG. 3. The digital 1000 controller as a whole consists of a control handle 1100, a positioning platform block 1200 and a digital control unit (not shown in the drawing).

[68] Указанный контроллер 1000 имеет контур прямой связи для того, чтобы задавать команды от оператора через движение его руки мехатронному устройству, и контур обратной связи для передачи в обратном порядке на руку оператора ответных команд-реакций от мехатронного устройства. Контур обратной связи контроллера 1000 предназначен для передачи на руку тактильных ощущений.[68] The specified controller 1000 has a direct communication loop in order to give commands from the operator through the movement of his hand to the mechatronic device, and a feedback loop for transmitting in the reverse order to the operator’s hand response commands-reactions from the mechatronic device. The feedback loop of the controller 1000 is designed to transmit tactile sensations to the hand.

[69] Контакт контроллера 1000 с рукой реализуется на управляющей ручке 1100. Управляющая ручка 1100 в целом состоит из контроллера кисти 100 и контроллеру запястья 200, каждый из которых обеспечивает две вращательные степени свободы контроллера 1000.[69] The contact of the controller 1000 with the hand is implemented on the control handle 1100. The control handle 1100 generally consists of a hand controller 100 and a wrist controller 200, each of which provides two rotational degrees of freedom of the controller 1000.

[70] Блок - платформа позиционирования контроллера 1200 представляет собой контроллер руки, обеспечивающий три поступательные степени свободы контроллера 1000 путем возвратно-поступательного движения механизма контроллера 1000 по трем взаимно ортогональным осям. При этом на контроллере руки 1200 закреплен контроллер запястья 200, входящий в состав управляющий ручки контроллера 1100. Таким образом, контроллер оператора 1000 контролирует и преобразует в цифровой сигнал движения руки по шести степеням свободы.[70] Block - the positioning platform of the controller 1200 is a hand controller that provides three translational degrees of freedom of the controller 1000 by reciprocating the movement of the controller 1000 along three mutually orthogonal axes. At the same time, the wrist controller 200, which is part of the control handle of the controller 1100, is fixed to the hand controller 1200. Thus, the operator controller 1000 controls and converts the six degrees of freedom into a digital signal of hand movement.

[71] Контроллер руки (или блок-платформа позиционирования) состоит из по меньшей мере двух платформ: неподвижной опорной и подвижной, - и блока позиционирования. К неподвижной опорной платформе прикреплена подвижная платформа посредством механизма компенсации веса, включающего блок позиционирования, выполненный на принципах параллельной структуры, предпочтительно, на основе механизма типа «дельта» (дельта-робота или дельтапода), и приводного механизма, который приводит в движение дельта-робот, обеспечивая при этом минимальный люфт.[71] The hand controller (or block positioning platform platform) consists of at least two platforms: a fixed support and a movable one, and a positioning unit. A movable platform is attached to the fixed support platform by means of a weight compensation mechanism including a positioning unit made on the principles of a parallel structure, preferably based on a delta type mechanism (delta robot or deltapod), and a drive mechanism that drives the delta robot while ensuring minimal backlash.

[72] Механизм параллельной структуры может быть использован любой. В предпочтительном варианте осуществления контроллера согласно заявляемому изобретению блок позиционирования представляет собой замкнутую кинематическую цепь, состоящую из штанг постоянной длины, расположенных попарно параллельно и соединенных одними концами с соответствующими приводами, закрепленными на неподвижной опорной платформе, а другими концами - с подвижной платформой. Дельта-механизмы обладают повышенной маневренностью и расширенной границей рабочей зоны.[72] Any parallel structure mechanism can be used. In a preferred embodiment of the controller according to the claimed invention, the positioning unit is a closed kinematic chain consisting of constant-length rods arranged in pairs parallel to each other and connected at one end with respective drives fixed to a fixed support platform, and at the other ends to a movable platform. Delta mechanisms have increased maneuverability and an extended border of the working area.

[73] Более того, контроллер на основе механизма параллельной структуры в сравнении с контроллерами последовательной структуры и иными контроллерами имеет значительно меньший вес и размер, при одновременно большей точности, жесткости и мощности. [73] Moreover, a controller based on a parallel structure mechanism, in comparison with serial structure controllers and other controllers, has significantly lower weight and size, while at the same time more accuracy, rigidity and power.

[74] На фиг. 4 изображен конкретный вариант исполнения дельта-робота 400 согласно одному из вариантов настоящего изобретения. Дельта-робот представляет собой вид параллельного робота, который состоит из трех рычагов 410, расположенных под углом 120° относительно друг друга и прикрепленных к опорной платформе 420.[74] In FIG. 4 depicts a specific embodiment of a delta robot 400 according to one embodiment of the present invention. The delta robot is a parallel robot that consists of three levers 410 located at an angle of 120 ° relative to each other and attached to a support platform 420.

[75] Преимуществом конструкции дельта-робота 400 является использование параллелограммов 440, содержащих штанги постоянной длины, расположенные попарно параллельно и соединенные между собой с помощью карданных шарниров 450. Параллелограммы 440 одним концом соединены за соответствующие рычаги 410, а вторым концом связаны с подвижной платформой 430. Такая конструкция позволяет сохранять пространственную ориентацию механизмов робота. При этом подвижная платформа 430 всегда расположена параллельно опорной платформе 420.[75] An advantage of the design of the delta robot 400 is the use of parallelograms 440 containing constant-length rods arranged in pairs parallel and interconnected by cardan joints 450. The parallelograms 440 are connected at one end by the corresponding levers 410 and connected to the movable platform 430 at the other end. This design allows you to maintain the spatial orientation of the mechanisms of the robot. In this case, the movable platform 430 is always parallel to the supporting platform 420.

[76] Соединение рычагов 410 с опорной платформой 420 производится через верхние подшипниковые узлы 460 (фиг. 5), чтобы обеспечить необходимые углы для исходного состояния дельта-робота. Верхние подшипниковые узлы 460 закреплены на опорной платформе 420. Установленные на верхние подшипниковые узлы 460 рычаги 410 на центрах соединения образуют равносторонний треугольник 470, углы которого влияют на размер полезной рабочей области дельта-робота. За перемещения по оси Z отвечает рычаги 410. Увеличивая длину рычага 410, увеличивается ход по оси Z. Размеры при перемещении по осям X и Y задаются параллелограммами 440.[76] The levers 410 are connected to the support platform 420 through the upper bearing assemblies 460 (FIG. 5) to provide the necessary angles for the initial state of the delta robot. The upper bearing assemblies 460 are mounted on a support platform 420. The levers 410 mounted on the upper bearing assemblies 460 at the connection centers form an equilateral triangle 470, the angles of which affect the size of the useful working area of the delta robot. For movements along the Z axis, levers 410 are responsible. Increasing the length of the lever 410, the stroke along the Z axis increases. The dimensions when moving along the X and Y axes are specified by parallelograms 440.

[77] Приводной механизм контроллера, который приводит в движение блок позиционирования контроллера, в частности, рычаги 410, может выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов при работе механизма. В предпочтительном варианте осуществления контроллера согласно заявляемому изобретению приводной механизм может быть выполнен как кривошипно-шатунный механизм. Он приводится в движение с помощью шарико-винтовой передачи, исполняющей вращательные движения за счет сервопривода с встроенным электромагнитным тормозом и датчиком положения углов. Сервопривод - электромеханическое устройство, которое осуществляет динамические движения с постоянным контролем угла поворота вала, а также предоставляет возможность управления угловыми скоростями в различных исполнительных устройствах. В зависимости от получаемого на управляемый вход сервопривода значения управляющего параметра в результате сравнения данного параметра со значением датчика положения углов (энкодера) или с математической моделью (алгоритм вычислений вшит в памяти частотного преобразователя) изменяются параметры работы электропривода и осуществляется некоторое корректирующее действие для сервомотора (или серия действий), например: поворот вала, ускорение или замедление, так, чтобы значение с датчика положения стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра. Используемый тип сервопривода может быть любым. В некоторых вариантах осуществления изобретения используется интегрированный сервопривод.[77] The drive mechanism of the controller, which drives the positioning unit of the controller, in particular, levers 410, can be made in the form of any known mechanism that ensures the reduction of accuracy losses due to backlash during operation of the mechanism. In a preferred embodiment of the controller according to the claimed invention, the drive mechanism may be implemented as a crank mechanism. It is driven by a ball screw transmission, performing rotational movements due to a servo drive with a built-in electromagnetic brake and an angle position sensor. Servo drive is an electromechanical device that performs dynamic movements with constant control of the angle of rotation of the shaft, and also provides the ability to control angular speeds in various actuators. Depending on the value of the control parameter received at the controlled input of the servo drive as a result of comparing this parameter with the value of the angle sensor (encoder) or with a mathematical model (the calculation algorithm is sewn into the memory of the frequency converter), the parameters of the electric drive are changed and some corrective action is taken for the servo motor (or series of actions), for example: rotation of the shaft, acceleration or deceleration, so that the value from the position sensor becomes as close as possible to the value of the external control parameter. The type of servo used can be any. In some embodiments, an integrated servo is used.

[78] В некоторых вариантах осуществления контроллера в качестве приводного механизма может быть использован любой известный безлюфтовой редуктор с нулевым механическим люфтом, например, безлюфтовый прецизионный редуктор, предпочтительно волнового типа или планетарный редуктор с угловым люфтом менее 6’.[78] In some embodiments of the controller, any known backlashless gearbox with zero mechanical backlash, for example, a backlashless precision gearbox, preferably a wave type or planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 ’, can be used as a drive mechanism.

[79] Приводной механизм воздействует на опору 480, противоположную от закрепления штанг параллелограмма 440 часть рычага 410 (фиг.5). [79] The drive mechanism acts on the support 480, the opposite part of the lever 410 from the fastening of the rods of the parallelogram 440 (Fig. 5).

[80] Конкретный вариант исполнения приводного механизма контроллера согласно настоящему изобретению приведен на фиг.6.[80] A specific embodiment of the drive mechanism of the controller according to the present invention is shown in Fig.6.

[81] Приводной механизм 500 включает сервопривод 510 с шарико-винтовой передачей и кривошипно-шатунным механизмом. В зависимости от шага шарико-винтовой передачи и радиуса кривошипа можно увеличить или уменьшить передаточное число приводного механизма.[81] The drive mechanism 500 includes a ball screw servo 510 and a crank mechanism. Depending on the pitch of the ball screw and the radius of the crank, you can increase or decrease the gear ratio of the drive mechanism.

[82] Передача момента осуществляется следующим образом. Сервопривод 510 через соединительную муфту 530 соединяется с валом 520 шарико-винтовой передачи и приводит его во вращательные перемещения. При этом гайка 540 шарико-винтовой передачи совершает поступательные движения. Гайка 540 крепится к направляющей платформе 550, которая установлена на линейных подшипниках 580, которые ходят по цилиндрическим направляющим 570. Направляющая платформа 550 имеет нижние подшипниковые узлы 560, на которых базируется элемент криво-шатунного механизма (шатун) 590. Таким образом, кривошипный механизм переводит поступательные движения направляющей платформы 550 во вращательные движения рычага 410.[82] The transmission of torque is as follows. The servo drive 510 through the coupling 530 is connected to the ball screw shaft 520 and drives it into rotational movements. In this case, the ball screw nut 540 performs translational movements. The nut 540 is attached to a guide platform 550, which is mounted on linear bearings 580, which run along cylindrical guides 570. The guide platform 550 has lower bearing assemblies 560, on which an element of the crank mechanism (connecting rod) 590 is based. Thus, the crank mechanism translates translational motion of the guide platform 550 in the rotational motion of the lever 410.

[83] У кривошипно-шатунного механизма есть отрицательные положения углов, при которых передача поступательно-вращательного движения проходит нелинейно. Этот эффект проявляется на малых углах оси кривошипа относительно оси шатуна - так называемые мертвые точки, при которых начинается нелинейность передачи движения. Угол равен 90° около верхней мертвой точки, и столько же - у нижней мертвой точки. Однако, в предложенной конструкции приводного механизма согласно настоящему изобретению у кривошипа нет необходимости совершать оборот вокруг своей оси. [83] The crank mechanism has negative angular positions at which the translation of the translational-rotational movement is nonlinear. This effect is manifested at small angles of the crank axis relative to the connecting rod axis - the so-called dead spots at which the non-linearity of the transmission of motion begins. The angle is 90 ° near the top dead center, and the same at the bottom dead center. However, in the proposed design of the drive mechanism according to the present invention, the crank does not need to make a revolution around its axis.

[84] Линейность передачи поступательно-вращательного движения обеспечивается при передаточном числе, лежащим в диапазоне от 40:1 до 60:1, при этом размер хода шатуна варьируется от 75 мм до 85 мм и радиус кривошипа лежит в диапазоне от 35 мм до 45 мм.[84] The linearity of the translational-rotational motion transmission is provided with a gear ratio lying in the range from 40: 1 to 60: 1, while the connecting rod stroke size varies from 75 mm to 85 mm and the crank radius lies in the range from 35 mm to 45 mm .

[85] Расчет кинематики дельта-робота осуществлялся исходя из необходимости решения двух задач - обратной и прямой кинематики. В первой ситуации известна позиция, куда требуется переместить подвижную часть дельта-робота. Для этого следует определить величины углов, на которые необходимо повернуть оси рычагов 410, чтобы переместиться в желаемую точку в пространстве обозначенную координатами (x, y, z). Поэтому, определения этих углов называется обратной задачей кинематики.[85] The kinematics of the delta robot were calculated based on the need to solve two problems - inverse and direct kinematics. In the first situation, the position where you want to move the moving part of the delta robot is known. To do this, determine the angles by which you need to rotate the axis of the levers 410 to move to the desired point in space indicated by the coordinates (x, y, z). Therefore, the definition of these angles is called the inverse kinematics problem.

[86] Во второй ситуации, при известности углов, на которые повернуты рычаги 410 относительно оси крепления к основанию (в рассматриваемом варианте осуществления изобретения, за счет использования сервоприводов, можно легко понять, считав датчики положения углов), требуется определить положение подвижной платформы дельта-робота в пространстве. Описанная задача является задачей прямой кинематики.[86] In the second situation, when the angles by which the levers 410 are turned relative to the axis of attachment to the base are known (in the present embodiment of the invention, through the use of servos, it is easy to understand by reading the position sensors of the angles), it is necessary to determine the position of the movable platform delta robot in space. The described problem is a direct kinematics problem.

[87] Кинематика дельта-робота контроллера согласно настоящему изобретению обладает достаточно жесткими и точными несущими способностями.[87] The kinematics of the delta robot of the controller according to the present invention has sufficiently rigid and accurate load-bearing capabilities.

[88] На цилиндрических направляющих 570 между подвижной платформой 430 и направляющей платформой 550 установлена и закреплена тензоплатформа 610, которая выполнена с возможностью получения цифровой информации в трехмерном пространстве о прикладываемой силе, векторе приложения силы и ускорении приложения силы, передаваемой на кисть от предплечья и иных, вышерасположенных частей руки оператора во время управления мехатронным комплексом. На тензоплатформе 610 установлены тензометрические датчики (тензодатчики) 600 для точного и эффективного определения прикладываемых сил со стороны оператора, которые передаются на тензоплатформу через подшипниковые узлы 620. Тензодатчики 600 преобразуют величину деформации в электрический сигнал.[88] On the cylindrical guides 570 between the movable platform 430 and the guide platform 550, a strain platform 610 is installed and fixed, which is configured to receive digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of application of force and the acceleration of the application of force transmitted to the hand from the forearm and other , upstream parts of the operator’s hand while operating the mechatronic complex. Strain gauge platform 610 is equipped with strain gauge sensors (strain gauges) 600 to accurately and efficiently determine the forces applied by the operator, which are transmitted to the strain gauge platform through bearing assemblies 620. Strain gauges 600 convert the strain to an electrical signal.

[89] Конструкция используемых тензодатчиков 600 более подробно изображена на фиг.8. Тензодатчик 600 в одном из вариантов осуществления изобретения - это вытянутый параллелепипед с квадратным сечением, у которого на концах имеются крепежные отверстия 630. По центру на одной из плоскостей, которая расположена перпендикулярно поверхности с крепежными отверстиями 630, предусмотрено сквозное отверстие 640 в виде знака «восьмерки». Отверстие 640 выполнено таким образом, чтобы обеспечить возможность изгиба тензодатчика 600 по краям выреза. На поверхностях с крепежными отверстиями 630 с обеих сторон тензодачика над сквозным отверстием 640 приклеиваются по паре тонкопленочных тензорезисторов 651 (на фиг.7 пара тензорезисторов расположена под крышкой и детально не изображена). Четыре тонкоплёночных тензорезистора, соединёны по мостовой схеме, поэтому тензодатчик 600 имеет 4 вывода 652. Для преобразования величины сопротивлений с выхода тензодатчика в двоичный код, применяется аналого-цифровой преобразователь (не показан на чертеже). Тензодатчик 600, с одной стороны, своим подвижным концом соединен с корпусом опорного подшипника 620, а с другой стороны, другим концом соединен с тензоплатформой 610 через подшипниковый узел тензоплатформы 660.[89] The construction of the used load cells 600 is shown in more detail in Fig.8. The strain gauge 600 in one embodiment of the invention is an elongated parallelepiped with a square cross section, which has fixing holes 630 at the ends. A through hole 640 in the form of a figure “8” is provided in the center on one of the planes, which is perpendicular to the surface with fixing holes 630. ". The hole 640 is designed to allow bending of the strain gauge 600 along the edges of the cutout. On surfaces with mounting holes 630 on both sides of the strain gauge above the through hole 640, a pair of thin-film strain gauges 651 are glued (in Fig. 7, a pair of strain gauges is located under the cover and is not shown in detail). Four thin-film strain gauges connected by a bridge circuit, so the strain gauge 600 has 4 outputs 652. To convert the resistance value from the output of the strain gauge to a binary code, an analog-to-digital converter (not shown in the drawing) is used. The load cell 600, on the one hand, is connected by its movable end to the housing of the support bearing 620, and on the other hand, is connected to the load platform 610 by the other end through the bearing assembly of the load platform 660.

[90] Тензодатчики 600 расположены на тензоплатформе 610 и сопряжены с каждой шарико-винтовой передачей, а именно, с валом шарико-винтовой передачи, через опорные подшипниковые узлы 620. [90] The load cells 600 are located on the load platform 610 and are coupled to each ball screw transmission, namely, a ball screw shaft, through the bearing bearings 620.

[91] При возникновении усилий со стороны оператора механическая сила, прикладываемая оператором и передаваемая от предплечья на кисть оператора, проходит через подвижную платформу 430 по штангам параллелограммов 440 равной длины, расположенным попарно параллельно и соединенными одними концами за приводной кривошипно-шатунный механизм. Кривошипно-шатунный механизм, в свою очередь, соединен с шарико-винтовой передачей. В частности, рычаг 410 соединен с верхним подшипниковым узлом 460 и через шатун 590 с нижним подшипниковым узлом 560. Таким образом, вращательные движения рычага 410 переводятся в поступательные движения направляющей платформы 550 (см. фиг.6), на которой установлены нижние подшипниковые узлы 560 и гайка 540 шарико-винтовой передачи. Поступательные движения от гайки 540 передаются во вращательные движения вала 520 шарико-винтовой передачи, который воздействует на опорный подшипниковый узел 620. Следовательно, через шарико-винтовую передачу кривошипно-шатунный механизм действует на опорно-подшипниковый узел 620. Установленный тензодатчик 600 на тензоплатформе 610 своим подвижным концом соединен с корпусом опорного подшипника 620. Тензодатчик 600 преобразует величину деформации в электрический сигнал и передает его через свои выходы на цифровой блок управления контроллером (не показан на чертеже).[91] When there is effort on the part of the operator, a mechanical force exerted by the operator and transmitted from the forearm to the operator’s hand passes through the movable platform 430 along parallelogram rods 440 of equal length arranged in pairs parallel to and connected at one end by the crank mechanism. The crank mechanism, in turn, is connected to a ball screw transmission. In particular, the lever 410 is connected to the upper bearing assembly 460 and through the connecting rod 590 to the lower bearing assembly 560. Thus, the rotational movements of the lever 410 are translated into translational movements of the guide platform 550 (see FIG. 6), on which the lower bearing assemblies 560 are mounted and ball screw nut 540. The translational movements from the nut 540 are transmitted to the rotational movements of the ball screw shaft 520, which acts on the supporting bearing assembly 620. Therefore, through the ball screw transmission, the crank mechanism acts on the supporting bearing assembly 620. The installed strain gauge 600 on its load platform 610 the movable end is connected to the housing of the support bearing 620. The strain gauge 600 converts the strain to an electrical signal and transmits it through its outputs to the digital control unit of the controller ( e shown).

[92] Цифровой блок управления контроллером в свою очередь на основании полученного сигнала по заданной программе рассчитывает траекторию перемещения дельта-робота по трем линейным координатам и при помощи сервоприводов перемещает блок позиционирования в требуемую позицию. Например, цифровой блок управления может быть выполнен с возможностью сравнения получаемого значения сигнала о деформации, а следовательно, о перемещении, с заранее заданным значением, которое определяет положение дельта-робота в равновесии и подачи такого управляющего сигнала на сервопривод, чтобы значение с датчика положения углов стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра. Такой механизм позволяет реализовать механизм регулируемого противодействия естественному опусканию дельта-робота под воздействием силы тяжести подвижных частей контроллера - систему «виртуального веса» (СВВ). СВВ позволяет регулировать вес, ощущаемый человеком на управляющей ручке контроллера в диапазоне от фактического 100% - до 0% - «нулевая плавучесть». [92] The digital control unit of the controller, in turn, on the basis of the received signal according to a given program, calculates the trajectory of the delta robot along three linear coordinates and with the help of servo drives moves the positioning unit to the desired position. For example, the digital control unit can be configured to compare the obtained value of the deformation signal, and therefore of the movement, with a predetermined value that determines the position of the delta robot in equilibrium and supply such a control signal to the servo so that the value from the angle position sensor became as close as possible to the value of the external control parameter. Such a mechanism makes it possible to implement a mechanism of controlled counteraction to the natural lowering of the delta robot under the influence of gravity of the moving parts of the controller - the “virtual weight” (UHV) system. UHV allows you to adjust the weight felt by a person on the control handle of the controller in the range from the actual 100% - to 0% - "zero buoyancy".

[93] Система «виртуального веса» мультиплицирует величину усилия прикладываемую рукой оператора к управляющей ручке контроллера, что позволяет индивидуально подбирать и всегда обеспечивать комфортное и постоянное для человека усилия при воздействии на контроллер независимо от размера и веса составляющих контроллера деталей.[93] The “virtual weight” system multiplies the amount of force applied by the operator’s hand to the control handle of the controller, which allows you to individually select and always provide a comfortable and constant effort for a person when acting on the controller, regardless of the size and weight of the parts of the controller.

[94] Цифровой блок управления контроллером сконфигурирован и построен таким образом, что позволяет сосредоточить максимум усилий на алгоритмах управления высокого уровня, освобождая пользователя от необходимости разработки и отладки устройств и приложений для управления отдельными сервоприводами. Цифровой блок управления контроллером имеет возможность записи всех управляющих команд и передачи их на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ.[94] The digital controller control unit is configured and constructed in such a way that it allows one to concentrate maximum efforts on high-level control algorithms, freeing the user from the need to develop and debug devices and applications for controlling individual servo drives. The digital controller control unit has the ability to record all control commands and transfer them to the controller's numerical program control (CNC) system, which can be performed on a computer basis.

[95] Таким образом, конфигурация контроллера руки позволяет перемещать его рукой оператора по трем линейных координатам, не затрачивая значительных сил руки оператора, компенсируя недостающую силу работой исполнительных двигателей, управляемых сигналами от цифрового блока управления контроллера для получения точных координат положения кисти от перемещения предплечья и иных, вышерасположенных частей руки оператора-хирурга по как минимум трем степеням свободы и компенсации веса контроллера руки в статике или при движении.[95] Thus, the configuration of the hand controller allows you to move it with the operator’s hand in three linear coordinates, without spending significant forces on the operator’s hand, compensating for the lack of power by the operation of executive motors controlled by signals from the controller’s digital control unit to obtain exact coordinates of the brush position from moving the forearm and other, upstream parts of the hand of the surgeon operator in at least three degrees of freedom and compensation of the weight of the hand controller in static or during movement.

[96] Контроллер может быть использован в качестве тренажера для отработки тех или иных действий. Для этого управление осуществляется согласно заранее составленной и остающейся неизменной в текущем процессе управляющей программе. Сигнал с системы числового программного управления (ЧПУ) поступает на цифровой блок управления контроллером, который на основе заданного алгоритма управляет механизмом приводов соответствующим образом для того, чтобы перевести блок позиционирования с подвижной площадкой в нужные координаты. [96] The controller can be used as a simulator for practicing certain actions. To do this, control is carried out in accordance with a pre-compiled and remaining unchanged in the current process control program. The signal from the numerical control system (CNC) is fed to a digital controller control unit, which, based on a predetermined algorithm, controls the drive mechanism accordingly in order to translate the positioning unit with the moving platform to the desired coordinates.

[97] В некоторых вариантах реализации контроллера согласно изобретению цифровой блок управления контроллером может обеспечивать сопротивление/противодействие руке человека с заданными/расчетными усилиями и ускорениями путем подачи управляющего сигнала на приводной механизм, который может быть оснащены электромагнитными тормозами. Механизм сопротивления/противодействия может быть включен постоянно путем подачи сигнала с системы числового программного управления (ЧПУ) контроллера на цифровой блок управления контроллером и на электромагнитные тормоза приводного механизма соответственно.[97] In some embodiments of the controller according to the invention, the digital controller control unit can provide resistance / counteraction to the human hand with predetermined / calculated forces and accelerations by supplying a control signal to a drive mechanism that can be equipped with electromagnetic brakes. The resistance / counteraction mechanism can be continuously switched on by supplying a signal from the controller's numerical control system (CNC) to the controller’s digital control unit and to the electromagnetic brakes of the drive mechanism, respectively.

[98] Перед каждым использованием контроллера руки происходит его калибровка под пользователя. Контроллер руки обладает гибкими настройками, что позволяет его ориентировать под разные задачи. При пользовании контроллером его можно полностью адаптировать под оператора и его задачи.[98] Before each use of the hand controller, it is calibrated to the user. The hand controller has flexible settings, which allows it to be oriented to different tasks. When using the controller, it can be fully adapted to the operator and his tasks.

[99] Таким образом, усовершенствованная конструкция контроллера руки, входящая в состав контроллера управления роботохирургическим комплексом позволяет совершать более точные движения рук хирурга. Так, применения дельта кинематики обеспечивает высокую жесткость конструкции, что приводит к более точному измерению сигналов о положении в пространстве руки оператора. Разработка приводного механизма дельта робота с использованием шарико-винтовой передачи и кривошипно-шатунного механизма обеспечила прецизионную точность перемещения поступательных степеней свободы и позволила улучшить масштабируемость системы. Использования танзодатчиков в качестве датчиков силы дает возможность получения цифровой информации в трехмерном пространстве о прикладываемой силе, векторе приложения силы и ускорении приложения силы во время управления роботохирургическим комплексом. [99] Thus, the advanced design of the hand controller, which is part of the controller for controlling the robotic surgical complex, allows for more precise movements of the surgeon's hands. Thus, the use of delta kinematics provides high structural rigidity, which leads to a more accurate measurement of signals about the position in space of the operator’s hand. The development of the drive mechanism of the delta robot using a ball screw transmission and a crank mechanism ensured the precision accuracy of the translation of the translational degrees of freedom and allowed to improve the scalability of the system. The use of tanzosensors as force sensors makes it possible to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of the application of force and the acceleration of the application of force during the control of a robotic surgical complex.

[100] На фиг. 9 изображен перспективный вид контроллера управляения мехатронными устройствами, позволяющий считывать шесть степеней свободы и состоящий из контроллера руки, контролера запястья и контроллера кисти.[100] In FIG. 9 shows a perspective view of a mechatronic device control controller that allows reading six degrees of freedom and consisting of a hand controller, a wrist controller, and a hand controller.

[101] Контроллер запястья прикрепляется к подвижной платформе контроллера кисти. Главным предназначением контроллера запястья является реализация контакта и взаимодействия с запястьем оператора и обеспечение, по меньшей мере, двух вращательных степеней свободы для реализации ориентации элемента мехатронного комплекса в ответ на поворот запястья оператора, так и для передачи усилий на запястье оператора при симуляции того или иного действия для обучения оператора.[101] The wrist controller attaches to the movable platform of the brush controller. The main purpose of the wrist controller is to make contact and interact with the wrist of the operator and provide at least two rotational degrees of freedom for realizing the orientation of the mechatronic complex element in response to the rotation of the wrist of the operator, and for transmitting forces on the wrist of the operator when simulating one or another action for operator training.

[102] Контроллер запястья выполнен с возможностью наиболее точно на всей амплитуде точно определять угол поворота запястья в двух ортогональных направлениях относительно заданного центра вращения (относительно места крепления контроллера запястья к контроллеру руки) для получения цифровой информации о поворотах в запястье руки оператора во время управления мехатронным комплексом. Конструкция контроллера запястья ограничена и задана физиологическим углом возможного поворота запястьем кисти в этих плоскостях.[102] The wrist controller is configured to most accurately determine the angle of rotation of the wrist in two orthogonal directions relative to a given center of rotation (relative to the place of attachment of the wrist controller to the controller of the hand) at the most amplitude to obtain digital information about the turns in the wrist of the operator during mechatronic control complex. The design of the wrist controller is limited and set by the physiological angle of the possible rotation of the wrist of the brush in these planes.

[103] Контроллер запястья имеет в составе по меньшей мере два блока: блок механизма поворота и блок подвижной консоли, каждый из которых обеспечивают две степени свободы запястья, - и по меньшей мере один блок управления контроллера запястья.[103] The wrist controller has at least two units: a rotation mechanism unit and a movable console unit, each of which provide two degrees of freedom of the wrist, and at least one control unit of the wrist controller.

[104] Блок механизма поворота закреплен на контроллере руки 1200 таким образом, чтобы иметь возможность вращения относительно продольной оси контроллера руки 1200, обеспечивая при этом одну степень свободы контроллера кисти. Для кисти такой поворот блока механизма поворота - обычный поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси (на фиг.11 данный поворот вокруг оси СС′ обозначен цифрой 5). Структура блока подвижной консоли обеспечивает одну степень свободы относительно блока механизма поворота. При этом кисть совершает качательное движение относительно переднезадней оси ВВ′ во фронтальной плоскости T (движения обозначены стрелкой 3 и стрелкой 4 на фиг.11). Амплитуда этих движений измеряется от оси кисти. Объем этого движения может варьировать от 30° до 55° в зависимости от физиологических возможностей оператора.[104] The rotation mechanism unit is mounted on the hand controller 1200 in such a way as to be able to rotate relative to the longitudinal axis of the hand controller 1200, while providing one degree of freedom for the hand controller. For a brush, this rotation of the rotation mechanism block is the usual rotation of the radius along with the brush around the ulnar bone relative to the longitudinal axis (in Fig. 11, this rotation around the CC axis ′ is indicated by the number 5). The block structure of the movable console provides one degree of freedom relative to the block of the rotation mechanism. In this case, the brush makes a swinging motion relative to the anteroposterior axis BB ′ in the frontal plane T (movements are indicated by arrow 3 and arrow 4 in FIG. 11). The amplitude of these movements is measured from the axis of the brush. The volume of this movement can vary from 30 ° to 55 ° depending on the physiological capabilities of the operator.

[105] Использование по меньшей мере одного датчика определения угла поворота для каждой вращательной степени свободы позволяет определять абсолютное положение угла наклона контроллера запястья. В некоторых вариантах осуществления в дополнение к датчикам поворота для определения абсолютного положения того или иного элемента, входящих в состав контроллера, указанные элементы могут быть оснащены тахометрами, измерителями ускорения и нагрузочными элементами индикации силы, каждый из которых может обеспечивать электрические сигналы, относящиеся к скорости, ускорению и силе, прилагаемым к соответствующему элементу.[105] Using at least one rotation angle sensor for each rotational degree of freedom allows the absolute position of the angle of the wrist controller to be determined. In some embodiments, in addition to the rotation sensors for determining the absolute position of an element included in the controller, these elements can be equipped with tachometers, acceleration meters and load force indicating elements, each of which can provide electrical signals related to speed, acceleration and force applied to the corresponding element.

[106] Для считывания данных с датчиков определения угла поворота и осуществления поворота блока подвижной консоли и/или блока механизма поворота контроллер кисти включает приводные элементы.[106] To read data from the sensors for determining the angle of rotation and to rotate the block of the movable console and / or the block of the rotation mechanism, the brush controller includes drive elements.

[107] Для определения координат кистевого аппарата хирурга в составе контроллера оператора управления мехатронным комплексом используют контроллер кисти. Контроллер кисти предназначен для контакта и взаимодействия с кистью хирурга и наиболее точно, на всей амплитуде движения руки и при всех углах движения рук, контролирует как минимум один угол поворота кисти руки, который является углом отклонения кисти (движение кисти обозначено стрелкой 1 и стрелкой 2 на фиг. 11) в лучезапястном суставе в сагиттальной плоскости относительно поперечной оси, лежащей во фронтальной плоскости, и перемещение, взаимоположение друг относительно друга как минимум двух пальцев, преобразуя эту информацию в цифровой сигнал.[107] To determine the coordinates of the surgeon’s wrist apparatus, a brush controller is used as part of the controller of the operator operator control mechatronic complex. The brush controller is designed for contact and interaction with the surgeon’s hand and most accurately, at the entire amplitude of the hand’s movement and at all angles of the hand’s movement, controls at least one angle of the hand’s turn, which is the angle of the hand’s deflection (the hand’s movement is indicated by arrow 1 and arrow 2 on Fig. 11) in the wrist joint in the sagittal plane relative to the transverse axis lying in the frontal plane, and moving, relative to each other at least two fingers, converting this information into digital th signal.

[108] Дополнительно контроллер кисти обеспечивает минимальную нагрузку веса на кисть оператора при управлении, имеет и реализует канал обратной связи от элемента роботизированного технологического комплекса или системы управления в целом, преобразуя цифровой управляющий сигнал в механическое перемещение, такое как отклонение кисти руки (девиация) оператора в сагиттальной плоскости относительно поперечной оси кисти и/или механическое перемещение как минимум двух пальцев оператора.[108] Additionally, the brush controller provides a minimum weight load on the operator’s brush during control, has and implements a feedback channel from an element of the robotic technological complex or the control system as a whole, converting the digital control signal into mechanical movement, such as the deviation of the hand (deviation) of the operator in the sagittal plane relative to the transverse axis of the hand and / or mechanical movement of at least two fingers of the operator.

[109] Контроллер кисти характеризуется тем, что содержит рукоятку с пальцевыми схватами. Рукоятка имеет корпус, охватываемый и удерживаемый оператором во время работы. Пальцевые схваты выполнены с возможностью расположения на них пальцев оператора во время работы. Контроллер кисти включает датчики поворота пальцевых схватов для определения абсолютного положения пальцевых схватов относительно оси вращения пальцевых схватов и датчик поворота рукоятки для определения абсолютного положения рукоятки относительно ее продольной оси, приводные элементы рукоятки и пальцевых схватов, блок управления контроллером запястья.[109] The hand controller is characterized in that it comprises a handle with finger grips. The handle has a housing that is covered and held by the operator during operation. Finger grips are arranged to position the operator’s fingers on them during operation. The hand controller includes finger grip rotation sensors to determine the absolute position of the finger grips relative to the axis of rotation of the finger grips and a handle rotation sensor for determining the absolute position of the handle relative to its longitudinal axis, actuator elements of the handle and finger grips, and the wrist controller control unit.

[110] При возникновении усилий со стороны оператора контроллер кисти контролирует и оцифровывает отклонение кисти оператора в сагиттальной плоскости относительно поперечной оси кисти, находящейся во фронтальной плоскости (девиация кисти в лучезапястном суставе), а также положение (приближение/смыкание/удаление) как минимум двух пальцев, охватывающих вместе с кистью оператора рукоятку контроллера кисти в области пальцевых схватов.[110] When efforts are made by the operator, the brush controller monitors and digitizes the deviation of the operator’s brush in the sagittal plane relative to the transverse axis of the brush located in the frontal plane (wrist deviation in the wrist joint), as well as the position (approximation / closing / removal) of at least two fingers covering together with the operator’s brush the handle of the brush controller in the area of the finger grips.

[111] При повороте рукоятки кистью руки оператора датчик поворота рукоятки формирует цифровой сигнал об угле поворота и передает его в блок управления контроллера кисти, который рассчитывает угол отклонения рукоятки относительно ее продольной оси и передает эту информацию в цифровой блок управления контроллером, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. [111] When the handle is rotated by the operator’s hand, the handle rotation sensor generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the brush controller, which calculates the angle of deviation of the handle relative to its longitudinal axis and transmits this information to the digital control unit of the controller, which is configured to transmitting the received signals to the controller's numerical control system (CNC), which can be performed on a computer basis.

[112] Пальцевые схваты работают в сочетании. В одном из вариантов осуществления один пальцевой схват выполнен за одно целое с корпусом рукоятки и неподвижен относительно него. Другой пальцевой схват подвижен и имеет один поворот, вращаясь вокруг своей оси, совпадающей с продольной осью рукоятки. Во время работы датчик поворота пальцевых схватов считывает угол поворота подвижного пальцевого схвата вокруг своей оси вращения и передает цифровой сигнал в блок управления контроллера кисти, который рассчитывает его положение относительно неподвижного пальцевого схвата и передает эту информацию на цифровой контроллер, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. [112] Finger grips work in combination. In one of the embodiments, one finger grip is made in one piece with the housing of the handle and is stationary relative to it. Another finger grip is movable and has one rotation, rotating around its axis, coinciding with the longitudinal axis of the handle. During operation, the finger grip rotation sensor reads the rotation angle of the movable finger grip around its axis of rotation and transmits a digital signal to the brush controller control unit, which calculates its position relative to the fixed finger grip and transmits this information to the digital controller, which is capable of transmitting the received signals on the system of numerical program control (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer.

[113] В обратном порядке работы, цифровой блок управления контроллером на основе полученных данных планирует траекторию поворота рукоятки и/или пальцевых схватов относительно продольной оси рукоятки и оси вращения пальцевых схватов, которая совпадает с продольной осью рукоятки, и при помощи подачи управляющего сигнала на приводной элемент рукоятки и/или приводной элемент пальцевых схватов перемещает рукоятку и/или пальцевые схваты и непосредственно саму кисть оператора, находящуюся в плотном контакте с корпусом рукоятки, в требуемую позицию.[113] In the reverse order of operation, the digital controller control unit, based on the received data, plans the trajectory of rotation of the handle and / or finger grips relative to the longitudinal axis of the handle and the axis of rotation of the finger grips, which coincides with the longitudinal axis of the handle, and by applying a control signal to the drive the handle element and / or the drive element of the finger grippers moves the handle and / or finger grips and the operator’s hand itself, which is in close contact with the handle body, to the required position.

[114] В некоторых вариантах осуществления контроллера кисти согласно изобретению цифровой блок управления контроллером может обеспечивать управляющие сигналы через блок управления контроллером кисти на приводной элемент рукоятки и/или приводной элемент пальцевых схватов для ускорения и/или противодействия (сопротивления) поворота рукоятки и/или подвижного пальцевого схвата с заданными/расчетными усилиями и ускорениями при прикладывании усилий со стороны оператора. Механизм ускорения/противодействия может быть включен постоянно путем подачи сигнала на цифровой блок управления контроллером с системы числового программного управления (ЧПУ) контроллера.[114] In some embodiments, the implementation of the brush controller according to the invention, the digital controller control unit may provide control signals through the brush controller control unit to the handle actuator and / or finger gripper element to accelerate and / or counteract (resistance) the rotation of the handle and / or the movable finger grip with preset / calculated forces and accelerations when applying forces from the operator. The acceleration / reaction mechanism can be constantly switched on by supplying a signal to the digital control unit of the controller from the controller's numerical control system (CNC).

[115] Таким образом, когда оператор охватывает рукоятку всей поверхностью кисти и поворачивает рукоятку на произвольный угол в сагиттальной плоскости относительно поперечной оси кисти, то в некоторых вариантах осуществления цифровой блок управления контроллером может опосредованно направлять управляющие команды на приводной элемент рукоятки для того, чтобы осуществить поворот рукоятки в сторону, совпадающую с поворотом кисти или, наоборот, в сторону, противоположную повороту кисти для противодействия кисти.[115] Thus, when the operator covers the handle with the entire surface of the brush and rotates the handle at an arbitrary angle in the sagittal plane relative to the transverse axis of the brush, in some embodiments, the digital controller control unit can indirectly direct control commands to the handle actuator in order to turning the handle to the side coinciding with the rotation of the brush or, conversely, to the side opposite to turning the brush to counter the brush.

[116] При манипулировании оператором рукояткой, входящей в состав контроллера кисти, у оператора также могут одновременно возникать усилия для поворота элементом контроллера запястья, которые повторяют отведение или приведение кисти, которое также иногда называется лучевой девиацией кисти, а также поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора. Контроллер запястья контролирует и оцифровывает данные усилия.[116] When the operator manipulates the handle that is part of the brush controller, the operator may also experience efforts to turn the wrist of the controller element, which repeat the abduction or reduction of the brush, which is also sometimes called beam deviation of the brush, as well as the rotation of the radius with the brush around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator’s arm. The wrist controller monitors and digitizes these forces.

[117] При отклонении блока подвижной консоли запястьем руки оператора от переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости датчик поворота блока подвижной консоли формирует цифровой сигнал об угле поворота и передает его в блок управления контроллера запястья, который рассчитывает угол отклонения консоли и передает эту информацию в цифровой блок управления контроллером, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. [117] When the mobile console unit deviates by the operator’s wrist from the anteroposterior axis lying in the sagittal plane, the rotation sensor of the mobile console unit generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of the console’s deviation and digitally transmits this information a controller control unit, which is configured to transmit the received signals to the controller's numerical control system (CNC), which can be performed based on VM

[118] При повороте блока механизма поворота вокруг заранее заданного центра запястьем руки оператора датчик поворота блока механизма поворота формирует цифровой сигнал об угле поворота и передает его в блок управления контроллера запястья, который рассчитывает угол отклонения блока относительно продольной оси руки оператора и передает эту информацию в цифровой блок управления контроллером, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. [118] When the rotation mechanism block is rotated around a predetermined center by the operator’s wrist, the rotation sensor of the rotation mechanism block generates a digital signal about the rotation angle and transfers it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of deviation of the block relative to the longitudinal axis of the operator’s hand and transmits this information to a digital controller control unit, which is configured to transmit the received signals to the controller's numerical control system (CNC), which can be computer based.

[119] Цифровой блок управления контроллером на основе полученных данных планирует траекторию поворота блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли и при помощи подачи управляющего сигнала на приводной элемент блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли перемещает блок механизма поворота и/или блок подвижной консоли и непосредственно само запястье руки оператора в требуемую позицию.[119] Based on the obtained data, the digital control unit of the controller plans the rotation path of the rotation mechanism block and / or the block of the mobile console and, by applying a control signal to the drive element of the rotation mechanism block and / or the block of the mobile console, moves the rotation mechanism block and / or the block of mobile console and directly the wrist of the operator in the desired position.

[120] Контроллер кисти, контроллер запястья, как и контроллер руки, описанный выше, могут быть использованы в качестве тренажера для отработки тех или иных действий. Для этого управление осуществляется согласно заранее составленной и остающейся неизменной в текущем процессе управляющей программе. Сигнал с системы числового программного управления (ЧПУ) поступает на цифровой блок управления контроллером, который на основе заданного алгоритма передает управляющие сигналы на:[120] The hand controller, the wrist controller, as well as the hand controller described above, can be used as a simulator for practicing certain actions. To do this, control is carried out in accordance with a pre-compiled and remaining unchanged in the current process control program. The signal from the numerical control system (CNC) is fed to the digital control unit of the controller, which, based on a given algorithm, transfers control signals to:

[121] блок управления контроллером кисти, который в свою очередь управляет работой приводного элемента механизма поворота рукоятки и/или механизма поворота пальцевых схватов соответствующим образом для того, чтобы перевести рукоятку и/или по меньшей мере один пальцевой схват в нужные координаты;[121] the control unit of the brush controller, which in turn controls the operation of the drive element of the handle rotation mechanism and / or the finger grip rotation mechanism, in order to translate the handle and / or at least one finger grip to the desired coordinates;

[122] блок управления контроллером запястья, который в свою очередь управляет работой приводного элемента блока механизма поворота рукоятки и/или блока подвижной консоли для того, чтобы осуществить поворот блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли на рассчитанный угол. При этом жестко закрепленная рукоятка с удерживающей этот корпус кистью руки к блоку подвижной консоли также поворачивается. Контроль соответствующих заданных углов поворота осуществляют датчик поворота блока механизма поворота и датчик поворота блока подвижной консоли. [122] the control unit of the wrist controller, which in turn controls the operation of the drive element of the handle rotation mechanism unit and / or the mobile console unit in order to rotate the rotation mechanism unit and / or the mobile console unit by the calculated angle. At the same time, the rigidly fixed handle with the hand holding this body to the movable console unit also rotates. Control of the corresponding predetermined rotation angles is carried out by the rotation sensor of the rotation mechanism unit and the rotation sensor of the mobile console unit.

[123] Приводной элемент рукоятки при поступлении управляющего сигнала для приведения его в движение осуществляет поворот рукоятки вместе с жестко прикрепленным корпусом с удерживающей этот корпус кистью руки. Контроль заданного угла поворота осуществляет датчик поворота рукоятки.[123] The drive element of the handle upon receipt of the control signal for driving it rotates the handle together with a rigidly attached body with a hand holding the body. The control of a given angle of rotation is carried out by the handle rotation sensor.

[124] Приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого схвата при поступлении на него управляющего сигнала для приведения приводного элемента в движение осуществляет поворот подвижного пальцевого схвата на рассчитанный радиус, перемещая таким образом по меньшей мере один палец, удерживающий пальцевой схват на величину, задаваемую цифровым сигналом от цифрового блока управления контроллером. Радиус поворота подвижного пальцевого схвата контролирует датчик поворота пальцевых схватов.[124] The drive element of at least one finger grip upon receipt of a control signal to bring the drive element into motion rotates the movable finger grip by the calculated radius, thus moving at least one finger holding the finger grip by the amount specified by the digital signal from the digital controller control unit. The turning radius of the movable finger grip is controlled by the finger grip rotation sensor.

[125] Приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли при поступлении управляющего сигнала на них осуществляют поворот контроллера запястья по двум степеням свободы. [125] The drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the mobile cantilever block, upon receipt of a control signal, rotate the wrist controller in two degrees of freedom.

[126] Система числового программного управления (ЧПУ) контроллера обеспечивает преобразование координат рукоятки, пальцевых схватов, блока подвижной консоли, блока механизма поворота, подвижной платформы в координаты исполнительного устройства и формирование сигналов управления приводами по каждой степени подвижности исполнительного устройства таким образом, чтобы то или иное движение исполнительного устройства соответствовало направлению, в котором оператор воздействовал на рукоятку контроллера кисти в составе контроллера. На фиг. 10 схематично отражена схема управления контроллером.[126] The controller’s numerical control system (CNC) provides the coordinates of the handle, finger grips, the block of the movable console, the block of the rotation mechanism, the movable platform into the coordinates of the actuator and the formation of drive control signals for each degree of mobility of the actuator so that another movement of the actuator corresponded to the direction in which the operator acted on the handle of the brush controller as part of the controller. In FIG. 10 schematically shows the controller control circuit.

[127] Цифровой блок управления контроллером в общем случае является частью многофункционального контроллера и обеспечивает двунаправленный обмен данными между блоком приводов контроллера, блоками управления контроллера кисти и контроллера запястья и дополнительным оборудованием. Цифровой блок управления также имеет возможность синхронного управления указанными механизмами контроллера.[127] The digital controller control unit is generally part of a multifunctional controller and provides bi-directional data exchange between the controller drive unit, the brush controller and wrist controller control units, and additional equipment. The digital control unit also has the ability to synchronously control these controller mechanisms.

[128] Блоки управления контроллера кисти и/или управления контроллера запястья, тензоплатформа, цифровой блок управления контроллером могут быть сопряжены с цифровым блоком управления контроллером посредством общей шины передачи данных. Цифровой блок управления контроллером выполнен с возможностью записи данных о получаемых/передаваемых командах. [128] The control units of the brush controller and / or the control of the wrist controller, the strain gauge platform, the digital controller control unit can be coupled to the digital controller control unit via a common data bus. The digital control unit of the controller is configured to record data on received / transmitted commands.

[129] Таким образом, цифровой блок управления контроллером имеет возможность повторить/продемонстрировать перемещения записанных команд как в свободном режиме, так и передавая движения на находящуюся на рукоятке контроллера руке.[129] Thus, the digital controller control unit has the ability to repeat / demonstrate the movements of the recorded commands both in free mode and transmitting movements to the hand on the handle of the controller.

[130] Средства передачи данных выбираются из устройств, предназначенных для реализации процесса коммуникации между различными устройствами посредством проводной и/или беспроводной связи, в частности, такими устройствами могут быть: GSM модем, Wi-Fi приемопередатчик, Bluetooth или BLE модуль, GPRS модуль, Глонасс модуль, NFS, Ethernet и т.п.[130] The data transmission means are selected from devices designed to implement the communication process between various devices via wired and / or wireless communication, in particular, such devices can be: GSM modem, Wi-Fi transceiver, Bluetooth or BLE module, GPRS module, Glonass module, NFS, Ethernet, etc.

[131] Перед каждым использованием контроллера происходит его калибровка под пользователя. Контроллер обладает гибкими настройками, что позволяет его ориентировать под разные задачи. При пользовании контроллером его можно полностью адаптировать под оператора и его задачи.[131] Before each use of the controller, it is calibrated to the user. The controller has flexible settings, which allows it to be oriented to different tasks. When using the controller, it can be fully adapted to the operator and his tasks.

[132] В то время как изобретение было описано в определенных примерах и показано на сопровождающих чертежах, следует понимать, что подобные воплощения являются единственно иллюстративными и не ограничивают широту изобретения и что это изобретение не ограничивается показанными и описанными определенными конструкциями и системами, поскольку могут иметь место различные другие модификации, понятные для обычных специалистов этой области.[132] While the invention has been described in certain examples and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are only illustrative and do not limit the breadth of the invention and that this invention is not limited to the specific structures and systems shown and described, as they may have place various other modifications that are understandable to ordinary specialists in this field.

Claims (14)

1. Контроллер оператора для управления роботохирургическим комплексом, включающий1. An operator controller for controlling a robotic surgical complex, including - неподвижную опорную платформу, - motionless support platform, - подвижную платформу, расположенную параллельно неподвижной опорной платформе и соединенную с ней посредством исполнительного механизма параллельной структуры, исполнительный механизм параллельной структуры представляет собой три кинематические цепи, связанные одними своими концами с соответствующими подшипниковыми узлами, закрепленными на неподвижной опорной платформе, а другими концами – с подвижной платформой;- a movable platform located parallel to the fixed support platform and connected to it by means of an actuator of parallel structure, the actuator of parallel structure is three kinematic chains connected at one end with the corresponding bearing units mounted on a fixed support platform, and the other ends with a movable a platform; - приводной механизм исполнительного механизма, причем каждое звено приводного механизма выполнено в виде кривошипно-шатунного механизма, приводимого в движение сервоприводом с шарико-винтовой передачей;- the drive mechanism of the actuator, each link of the drive mechanism is made in the form of a crank mechanism, driven by a servo-drive with a ball screw; - тензоплатформу, установленную между подвижной платформой и неподвижной опорной платформой и соединенную с последней посредством цилиндрических направляющих, причем на тензоплатформе расположены сопряженные с каждой шарико-винтовой передачей тензодатчики;- a strain gauge installed between the movable platform and the stationary support platform and connected to the latter by means of cylindrical guides, and strain gauges associated with each ball screw transmission are located on the tensile platform; при этом к подвижной платформе прикреплена управляющая ручка с возможностью ее охвата кистью руки оператора и сконфигурированная для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения руки оператора по меньше мере по трем вращательным степеням свободы и силового воздействия на тензоплатформу по трем линейным степеням свободы;at the same time, a control handle is attached to the movable platform with the ability to be covered by the operator’s hand and configured to control and convert into a digital signal the movement of the operator’s hand with at least three rotational degrees of freedom and force impact on the tensile platform in three linear degrees of freedom; при этом формирующийся на тензодатчиках сигнал передаётся на цифровой блок управления контроллером, который рассчитывает и передает на сервопривод соответствующего звена приводного механизма упомянутого исполнительного механизма команды компенсации веса.at the same time, the signal formed on the load cells is transmitted to the digital control unit of the controller, which calculates and transfers to the servo drive of the corresponding link of the drive mechanism of the said actuator the weight compensation command. 2. Контроллер оператора по п.1, характеризующийся тем, что исполнительный механизм параллельной структуры представляет собой дельта-робот.2. The controller of the operator according to claim 1, characterized in that the actuator of the parallel structure is a delta robot. 3. Контроллер оператора по п.1, характеризующийся тем, что сервопривод выполнен со встроенным электромагнитным тормозом и датчиком положения углов.3. The controller of the operator according to claim 1, characterized in that the servo is made with a built-in electromagnetic brake and a position sensor of the angles. 4. Контроллер оператора по п.1, характеризующийся тем, что управляющая ручка включает контроллер запястья, сконфигурированный для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения запястья оператора по двум вращательным степеням свободы в ортогональных плоскостях, и контроллер кисти, обеспечивающий непосредственный контакт со всей поверхностью кисти оператора во время управления контроллером.4. The operator controller according to claim 1, characterized in that the control handle includes a wrist controller configured to control and convert into a digital signal the movement of the wrist of the operator along two rotational degrees of freedom in orthogonal planes, and a brush controller that provides direct contact with the entire surface of the brush operator while controlling the controller. 5. Контроллер оператора по п. 4, характеризующийся тем, что контроллер кисти включает рукоятку для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения кисти оператора по одной вращательной степени свободы и пальцевые схваты для контроля и преобразования в цифровой сигнал положения пальцев руки оператора относительно рукоятки, а контроллер запястья включает блок механизма поворота и блок подвижной консоли.5. The operator controller according to claim 4, characterized in that the brush controller includes a handle for monitoring and converting the operator’s brush into one digital degree of freedom of rotation and finger grips for monitoring and converting the position of the operator’s fingers relative to the handle into a digital signal the wrist controller includes a rotation mechanism unit and a movable console unit. 6. Контроллер оператора по п. 5, характеризующийся тем, что управляющая ручка включает блок управления контроллером запястьем, блок управления контроллером кисти, датчик поворота блока механизма поворота, датчик поворота блока подвижной консоли, приводной элемент блока механизма поворота, приводной элемент блока подвижной консоли, датчик поворота пальцевых схватов, датчик поворота рукоятки, приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого схвата, приводной элемент рукоятки.6. The operator controller according to claim 5, characterized in that the control knob includes a wrist controller control unit, a brush controller control unit, a rotation sensor unit of a rotation mechanism unit, a rotation sensor of a movable console unit, a drive element of a rotation mechanism unit, a drive element of a movable console unit, finger grip rotation sensor, handle rotation sensor, at least one finger grip drive element, handle drive element. 7. Контроллер оператора по п. 6, характеризующийся тем, что цифровой блок управления сконфигурирован для получения сигналов о текущем состоянии усилий со стороны оператора от тензоплатформы и/или сигналов от контроллера кисти о повороте рукоятки и/или по меньшей мере одного пальцевого схвата и/или сигналов от контроллера запястья о повороте блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли и передачи полученных сигналов на внешнюю систему управления роботохирургическим комплексом.7. The operator controller according to claim 6, characterized in that the digital control unit is configured to receive signals about the current state of efforts from the operator from the strain gage and / or signals from the hand controller about the rotation of the handle and / or at least one finger grip and / or signals from the wrist controller about the rotation of the block of the rotation mechanism and / or the block of the movable console and transmitting the received signals to an external control system of the robotic surgical complex. 8. Контроллер оператора по п.7, характеризующийся тем, что цифровой блок управления сконфигурирован для получения управляющих сигналов от внешней системы управления роботохирургическим комплексом и передачи их на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли и/или приводной элемент рукоятки и/или приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого схвата.8. The operator controller according to claim 7, characterized in that the digital control unit is configured to receive control signals from an external control system of the robotic surgical complex and transmit them to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit and / or the handle drive element and / or a drive element of at least one finger grip.
RU2019138035A 2019-11-25 2019-11-25 Operator control unit for robotic surgical complex RU2718595C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138035A RU2718595C1 (en) 2019-11-25 2019-11-25 Operator control unit for robotic surgical complex
PCT/RU2020/050342 WO2021107819A1 (en) 2019-11-25 2020-11-23 Operator controller for controlling a robotic surgical complex

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138035A RU2718595C1 (en) 2019-11-25 2019-11-25 Operator control unit for robotic surgical complex

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2718595C1 true RU2718595C1 (en) 2020-04-08

Family

ID=70156533

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019138035A RU2718595C1 (en) 2019-11-25 2019-11-25 Operator control unit for robotic surgical complex

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2718595C1 (en)
WO (1) WO2021107819A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2757969C1 (en) * 2020-12-22 2021-10-25 Акционерное общество "Казанский электротехнический завод" Robotic surgical complex manipulator control device
CN114668494A (en) * 2022-04-07 2022-06-28 山东大学 A main operative hand and surgical robot system for surgical robot
CN114917109A (en) * 2022-05-19 2022-08-19 哈尔滨理工大学 Exoskeleton robot for wrist rehabilitation
CN114668494B (en) * 2022-04-07 2024-04-23 山东大学 Main manipulator for surgical robot and surgical robot system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003038541A2 (en) * 2001-10-29 2003-05-08 Albert Schaeffer Input device in accordance with the parallel kinematic principle and with haptic feedback
WO2007136739A2 (en) * 2006-05-19 2007-11-29 Mako Surgical Corp. A method and apparatus for controlling a haptic device
US20120150349A1 (en) * 2010-12-14 2012-06-14 Harris Corporation Haptic interface handle with force-indicating trigger mechanism
RU140220U1 (en) * 2013-12-10 2014-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) HEX POSITION METER
US20140192020A1 (en) * 2006-07-03 2014-07-10 Force Dimension S.A.R.L. Active gripper for haptic devices
WO2019222495A1 (en) * 2018-05-18 2019-11-21 Auris Health, Inc. Controllers for robotically-enabled teleoperated systems

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003038541A2 (en) * 2001-10-29 2003-05-08 Albert Schaeffer Input device in accordance with the parallel kinematic principle and with haptic feedback
WO2007136739A2 (en) * 2006-05-19 2007-11-29 Mako Surgical Corp. A method and apparatus for controlling a haptic device
US20140192020A1 (en) * 2006-07-03 2014-07-10 Force Dimension S.A.R.L. Active gripper for haptic devices
US20120150349A1 (en) * 2010-12-14 2012-06-14 Harris Corporation Haptic interface handle with force-indicating trigger mechanism
RU140220U1 (en) * 2013-12-10 2014-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) HEX POSITION METER
WO2019222495A1 (en) * 2018-05-18 2019-11-21 Auris Health, Inc. Controllers for robotically-enabled teleoperated systems

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2757969C1 (en) * 2020-12-22 2021-10-25 Акционерное общество "Казанский электротехнический завод" Robotic surgical complex manipulator control device
CN114668494A (en) * 2022-04-07 2022-06-28 山东大学 A main operative hand and surgical robot system for surgical robot
CN114668494B (en) * 2022-04-07 2024-04-23 山东大学 Main manipulator for surgical robot and surgical robot system
CN114917109A (en) * 2022-05-19 2022-08-19 哈尔滨理工大学 Exoskeleton robot for wrist rehabilitation
CN114917109B (en) * 2022-05-19 2024-04-12 哈尔滨理工大学 Wrist rehabilitation exoskeleton robot

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021107819A1 (en) 2021-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110559082B (en) Surgical robot and control method and control device for mechanical arm of surgical robot
Berkelman et al. A compact, compliant laparoscopic endoscope manipulator
Mihelj et al. ARMin II-7 DoF rehabilitation robot: mechanics and kinematics
Zemiti et al. Mechatronic design of a new robot for force control in minimally invasive surgery
US6330837B1 (en) Parallel mechanism
US6385509B2 (en) Tool actuation and force feedback on robot-assisted microsurgery system
Hagn et al. Telemanipulator for remote minimally invasive surgery
RU2720830C1 (en) Assisting surgical complex
RU2718595C1 (en) Operator control unit for robotic surgical complex
WO2019032058A1 (en) Backdrivable and haptic feedback capable robotic forceps, control system and method
WO2012127404A2 (en) Ergonomic handle for haptic devices
Manna et al. A bioinspired 10 DOF wearable powered arm exoskeleton for rehabilitation
RU2718568C1 (en) Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller
Wisanuvej et al. Master manipulator designed for highly articulated robotic instruments in single access surgery
RU2716353C1 (en) Hand controller for use in robot surgery system operator's controller
US20200297447A1 (en) A device for sensing the pose and motion of a human's arm-hand
Bai et al. A humanoid robotic hand capable of internal assembly and measurement in spacesuit gloves
Tzemanaki et al. μAngelo: A novel minimally invasive surgical system based on an anthropomorphic design
Abane et al. Mechatronics design, modeling and preliminary control of a 5 dof upper limb active exoskeleton
Erol Barkana et al. A robot‐assisted rehabilitation system–RehabRoby
Marchese et al. Force sensing and haptic feedback for robotic telesurgery
RU208913U1 (en) SURGICAL ROBOT MANIPULATOR
Li et al. Achieving force perception in master-slave manipulators using pneumatic artificial muscles
CN114668494B (en) Main manipulator for surgical robot and surgical robot system
RU2803231C1 (en) Leading manipulator of the robotic surgical complex