RU2754219C1 - Manipulator of a robotic surgical complex - Google Patents

Manipulator of a robotic surgical complex Download PDF

Info

Publication number
RU2754219C1
RU2754219C1 RU2020142474A RU2020142474A RU2754219C1 RU 2754219 C1 RU2754219 C1 RU 2754219C1 RU 2020142474 A RU2020142474 A RU 2020142474A RU 2020142474 A RU2020142474 A RU 2020142474A RU 2754219 C1 RU2754219 C1 RU 2754219C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
axis
rotation
link
manipulator
pulleys
Prior art date
Application number
RU2020142474A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Владимирович Рыжов
Фарид Хуснуллович Шайдуллин
Денис Александрович Антонов
Дмитрий Юрьевич Пушкарь
Original Assignee
Акционерное общество "Казанский электротехнический завод"
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 Акционерное общество "Казанский электротехнический завод" filed Critical Акционерное общество "Казанский электротехнический завод"
Priority to RU2020142474A priority Critical patent/RU2754219C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2754219C1 publication Critical patent/RU2754219C1/en

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements

Abstract

FIELD: medical equipment.SUBSTANCE: invention relates to the field of medical equipment, in particular to manipulators of surgical robotic systems for minimal invasive intervention. The manipulator contains a drive mechanism including a drive shaft with the first axis of rotation for turning the manipulator around the longitudinal axis, and a drive mechanism connected by means of a transfer mechanism to the second axis of rotation made below the first axis of rotation and connected to a lever mechanism including support, driving and driven links. The driving link installed on the second axis of rotation is connected to the transfer mechanism, and the driven link is connected to a surgical instrument having a remote center of rotation. The driving and driven links are connected by two intermediate links made according to a pipe-in-pipe type. The driving link is connected to the transfer mechanism by means of a system of pulleys and belt gears. On the second axis of rotation, rigidly connected to the support link, there are two pulleys connected by the belt gear to pulleys rigidly installed on the external intermediate link and one pulley rigidly fixed on the second axis, connected to the pulley rigidly installed on the internal intermediate link.EFFECT: invention provides a high rigidity of the structure and the necessary freedom of movement of the surgical instrument to ensure the dynamic accuracy of its positioning.4 cl, 4 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области медицинского оборудования, в частности к манипуляторам хирургических роботизированных систем для минимального инвазивного вмешательства.The claimed invention relates to the field of medical equipment, in particular to manipulators of surgical robotic systems for minimally invasive intervention.

Традиционным видом хирургического вмешательства является лапаратомия, которая заключается в выполнении длинного разреза в брюшной полости, через который вставляются традиционные хирургические инструменты. Однако выполнение длинных разрезов неминуемо приводит к высоким кровопотерям и длительному восстановлению пациентов. Кроме того возрастает риск инфекционных осложнений.The traditional surgical procedure is laparotomy, which involves making a long incision in the abdomen through which traditional surgical instruments are inserted. However, making long incisions inevitably leads to high blood loss and prolonged patient recovery. In addition, the risk of infectious complications increases.

Применение малоинвазивных хирургических вмешательств (лапароскопия) позволяет устранить указанные недостатки. Вместо одного длинного разреза на пациенте делают от четырех до пяти маленьких, через которые вводятся длинные и тонкие хирургические инструменты и эндоскопические камеры. Данный метод уменьшает кровопотери, сокращает время пребывания в больнице и уменьшает болезненные ощущения пациента в период восстановления. Однако, несмотря на вышеупомянутые преимущества, лапароскопия требует от хирурга чрезвычайно высоких навыков работы. Входной разрез действует как точка вращения, уменьшая свободу позиционирования и ориентации инструментов внутри пациента. Кроме того, работа с эндоскопическими инструментами вынуждает хирургов работать в неудобной позе, что может быть утомительным в течение нескольких часов работы, снижается чувствительность, усиливается тремор рук хирурга. The use of minimally invasive surgical interventions (laparoscopy) makes it possible to eliminate these disadvantages. Instead of one long incision, four to five small incisions are made on the patient, through which long, thin surgical instruments and endoscopic cameras are inserted. This method reduces blood loss, shortens the hospital stay and reduces patient pain during the recovery period. However, despite the aforementioned advantages, laparoscopy requires extremely high skill from the surgeon. The entry incision acts as a pivot point, reducing the freedom to position and orient the instruments within the patient. In addition, working with endoscopic instruments forces surgeons to work in an uncomfortable posture, which can be tiring for several hours of work, decreases sensitivity, and increases the tremor of the surgeon's hands.

Развитие лапароскопии привело к возникновению роботохирургии и, в частности, к возможности применения роботизированных хирургических систем. С помощью компьютеризированного роботизированного интерфейса данные системы позволяют выполнять лапароскопию дистанционно, при этом хирург сидит за консолью и управляет манипуляторами, передающими движения непосредственно на хирургические инструменты. Минимально-инвазивные хирургические операции с применением роботизированных систем характеризуются низкой травматичностью, более быстрым выздоровлением пациента, сниженным риском развития осложнений и высокой эффективностью. The development of laparoscopy led to the emergence of robotic surgery and, in particular, to the possibility of using robotic surgical systems. Using a computerized robotic interface, these systems allow remote laparoscopy, while the surgeon sits at the console and controls the manipulators that transmit movements directly to the surgical instruments. Minimally invasive surgical operations using robotic systems are characterized by low trauma, faster patient recovery, reduced risk of complications, and high efficiency.

При робот-ассистированных операциях используется «контроллер», который считывает механические движения рук хирурга-оператора, находящегося удаленно за консолью хирурга и преобразует их в цифровые сигналы, которые, в свою очередь используются для управления движениями манипулятора на консоли пациента и связанного с ним инструмента.Robot-assisted operations use a "controller" that reads the mechanical movements of the hands of the surgeon-operator located remotely behind the surgeon's console and converts them into digital signals, which, in turn, are used to control the movements of the manipulator on the patient's console and the associated instrument.

Исполнительным механизмом в роботохирургических системах являются манипуляторы, которые осуществляют перемещения хирургических инструментов непосредственно в операционном поле. Применение в хирургии манипуляторов и их совершенствование становится все более актуальной научной и технической задачей.The actuating mechanism in robotic surgical systems are manipulators that move surgical instruments directly in the operating field. The use of manipulators in surgery and their improvement is becoming an increasingly urgent scientific and technical problem.

Известна медицинская роботизированная система (патент EP1984150, опубл. 29.10.2008), содержащая манипулятор, содержащий опорное основание и рычаг, включающий вертикальную часть, горизонтальную часть и соединенное с ней запястье, непосредственно к которому крепится исполнительный блок с хирургическим инструментом. Указанный рычаг манипулятора имеет цилиндрическую кинематическую конфигурацию, имеющую три последовательных звена: призматическое звено для изменения высоты вертикальной части рычага поворотное звено для изменения угла поворота между указанными вертикальной и горизонтальной частями и призматическое звено для регулирования выхода и удлинения указанной горизонтальной части путем обеспечения поступательной степени свободы вдоль по существу горизонтальной оси.Known medical robotic system (patent EP1984150, publ. 10/29/2008), containing a manipulator containing a support base and a lever including a vertical part, a horizontal part and a wrist connected to it, directly to which an executive unit with a surgical instrument is attached. The specified arm of the manipulator has a cylindrical kinematic configuration having three successive links: a prismatic link for changing the height of the vertical part of the lever, a pivot link for changing the angle of rotation between the specified vertical and horizontal parts and a prismatic link for adjusting the outlet and lengthening of the specified horizontal part by providing a translational degree of freedom along essentially a horizontal axis.

Недостатком указанного технического решения является большое количество звеньев, что приводит к снижению точности и надежности, увеличению люфта, а также снижению повторяемости. Применение в данном манипуляторе шести серводвигателей вызывает вибрации инструмента.The disadvantage of this technical solution is the large number of links, which leads to a decrease in accuracy and reliability, an increase in backlash, and a decrease in repeatability. The use of six servomotors in this manipulator causes the tool to vibrate.

Известна хирургическая система (патент США №10299883, МПК A61B 19/00, A61B 90/50, A61B 90/10, A61B 34/00, A61B 90/00, A61B 34/30, опубликован 05.02.2015), включающая в себя манипулятор, соединенный с хирургическим инструментом. На проксимальном конце инструмента может устанавливаться блок электродвигателя. Поворотное плечо манипулятора имеет ось вращения, которая пересекает ось вращения основного поворотного механизма в точке, через которую также проходит ось тангажа механизма наклона. При этом механизм наклона состоит из трех секций, подвижных относительно друг друга. Управление осями поворотного плеча манипулятора, основного поворотного механизма и механизма наклона позволяют достичь желаемого положения хирургического инструмента. Known surgical system (US patent No. 10299883, IPC A61B 19/00, A61B 90/50, A61B 90/10, A61B 34/00, A61B 90/00, A61B 34/30, published 02/05/2015), including a manipulator connected to a surgical instrument. An electric motor unit can be mounted at the proximal end of the instrument. The rotary arm of the manipulator has an axis of rotation that intersects the axis of rotation of the main rotary mechanism at a point through which the pitch axis of the tilt mechanism also passes. In this case, the tilt mechanism consists of three sections, movable relative to each other. Control of the axes of the manipulator pivot arm, main pivot mechanism and tilt mechanism allow to achieve the desired position of the surgical instrument.

В указанном манипуляторе применяется три серводвигателя, из-за чего происходит увеличение количества степеней свободы, что приводит к снижению точности, повторяемости, увеличению люфта, а также снижению надежности и жесткости на изгиб и кручение. This manipulator uses three servomotors, which causes an increase in the number of degrees of freedom, which leads to a decrease in accuracy, repeatability, an increase in backlash, as well as a decrease in reliability and rigidity in bending and torsion.

Известен манипулятор с дистанционным управлением (международная заявка WO2013181522, МПК A61B 19/00, B25J 9/06, B25J 17/00, B25J 13/06, опубликован 05.12.2013), устанавливаемый на монтажном основании и включающий в себя основное звено, соединенное с монтажным основанием и механизмом поворота в горизонтальной плоскости. Манипулятор также содержит несколько соединительных звеньев, образующих между собой параллелограмм, при этом одно из соединительных звеньев связано с механизмом, обеспечивающим изменение угла наклона манипулятора. При этом оси указанных механизма изменения угла наклона и механизма поворота в горизонтальной плоскости пересекаются с осью рыскания, осью крена и осью инструмента в одной точке. Манипулятор также содержит держатель инструмента, в который устанавливается удлиненный инструмент, выполненный с возможностью введения в тело пациента. Соединительная часть манипулятора, образованная из соединительных звеньев, сконфигурирована для обеспечения движения держателя инструмента, при этом ось инструмента постоянно проходит через точку пересечения всех осей манипулятора. Соединительные звенья манипулятора соединены между собой подвижно.Known manipulator with remote control (international application WO2013181522, IPC A61B 19/00, B25J 9/06, B25J 17/00, B25J 13/06, published on 05.12.2013), installed on a mounting base and includes a main link connected to mounting base and horizontal rotation mechanism. The manipulator also contains several connecting links, forming a parallelogram between themselves, while one of the connecting links is connected with a mechanism for changing the angle of inclination of the manipulator. In this case, the axes of the said mechanism for changing the angle of inclination and the mechanism for turning in the horizontal plane intersect with the yaw axis, the roll axis and the tool axis at one point. The manipulator also contains an instrument holder, into which an elongated instrument is mounted, adapted to be inserted into the patient's body. The connecting portion of the manipulator, formed from the connecting links, is configured to allow movement of the tool holder with the tool axis constantly passing through the point of intersection of all axes of the manipulator. The connecting links of the manipulator are movably interconnected.

Известен манипулятор (международная заявка WO2014/146120, МПК B25J18/00; B25J9/16; G05B19/408; G05B19/416, опубликован 18.09.2014), включающий в себя основание, к которому крепится первый поворотный элемент, обеспечивающий вращение манипулятор вокруг оси J1. Манипулятор выполнен из нескольких звеньев, соединенных между собой с помощью шарниров. На конце манипулятора имеется держатель инструмента, к которому крепится инструмент для выполнения хирургических операций. Держатель инструмента может содержать дополнительные шарниры для облегчения осевого перемещения инструмента через минимальное инвазивное отверстие и удобства прикрепления держателя инструмента к канюле, через которую устанавливается инструмент с возможностью скольжения. Known manipulator (international application WO2014 / 146120, IPC B25J18 / 00; B25J9 / 16; G05B19 / 408; G05B19 / 416, published on September 18, 2014), including a base to which the first rotary element is attached, providing rotation of the manipulator around the axis J1 ... The manipulator is made of several links connected by hinges. At the end of the manipulator, there is an instrument holder to which a surgical instrument is attached. The instrument holder may include additional hinges to facilitate axial movement of the instrument through the minimally invasive opening and to facilitate attachment of the instrument holder to the cannula through which the instrument is slidably mounted.

В качестве наиболее близких решений выбраны устройства для перемещения хирургического инструмента (патент EP0699053, опубл.06.03.1996 г. и международная заявка WO2008157225, опубликован 12.06.2008), содержащие рычажный механизм, включающий жесткие звенья, образующие параллелограмм. Устройства также включают в себя опорную плиту, на которой устанавливается первое звено рычажного механизма с возможностью поворота вокруг оси, инструмент, монтажное средство инструмента, удерживающее упомянутый инструмент в таком положении, что удаленный центр вращения инструмента пересекает упомянутую ось, второе звено рычажного механизма, соединенное с монтажным средством для перемещения монтажного средства в плоскости параллельной второму звену, при этом второе звено шарнирно соединено с первым и при перемещении второе звено остается параллельным указанной оси, а первое звено параллельным указанному инструменту.As the closest solutions selected devices for moving a surgical instrument (patent EP0699053, publ. 06.03.1996, and international application WO2008157225, published 12.06.2008), containing a lever mechanism, including rigid links forming a parallelogram. The devices also include a base plate on which the first link of the linkage is rotatable about an axis, a tool, a tool mounting means holding said tool in such a position that the distal center of rotation of the tool crosses said axis, a second link of the linkage connected to mounting means for moving the mounting means in a plane parallel to the second link, while the second link is pivotally connected to the first and when moving the second link remains parallel to the specified axis, and the first link is parallel to the specified tool.

Недостатками указанных выше решений являются меньшая жесткость на изгиб и кручение, что, в свою очередь, приводит к снижению точности и повторяемости. The disadvantages of the above solutions are lower bending and torsional stiffness, which, in turn, leads to reduced accuracy and repeatability.

Техническая задача заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности роботизированного хирургического комплекса.The technical problem of the claimed invention is to improve the efficiency of a robotic surgical complex.

Технический результат – конструкция манипулятора роботизированного хирургического комплекса, сочетающая высокую жесткость конструкции и необходимую свободу хода хирургического инструмента для обеспечения динамической точности его позиционирования.The technical result is the design of the manipulator of a robotic surgical complex, combining high rigidity of the structure and the necessary freedom of movement of the surgical instrument to ensure the dynamic accuracy of its positioning.

Технический результат достигается тем, что манипулятор роботизированного хирургического комплекса содержит приводной механизм, включающий приводной вал с первой осью вращения для поворота устройства вокруг продольной оси и приводной механизм, связанный посредством передаточного механизма со второй осью вращения, выполненной ниже первой оси вращения, соединенной с рычажным механизмом, включающим ведущее и ведомое звенья, при этом ведущее звено соединено с приводным механизмом посредством системы шкивов и ременных передач, а ведомое звено соединено с хирургическим инструментом, имеющим удаленный центр вращения, ведущее и ведомое звенья соединены двумя промежуточными звеньями, выполненными по типу труба в трубе, при этом ведущее звено имеет ось поворота, жестко связанную со опорным звеном, при этом на оси поворота размещены два шкива, связанные ременной передачей со шкивами, жестко установленными на внешнем промежуточном звене и один шкив, жестко закрепленный на оси, соединенный со шкивом, жестко установленным на внутреннем промежуточном звене.The technical result is achieved in that the manipulator of the robotic surgical complex comprises a drive mechanism including a drive shaft with a first axis of rotation for rotating the device around a longitudinal axis and a drive mechanism connected by means of a transmission mechanism with a second axis of rotation made below the first axis of rotation connected to a linkage , including the driving and driven links, while the driving link is connected to the drive mechanism by means of a system of pulleys and belt drives, and the driven link is connected to a surgical instrument having a remote center of rotation, the driving and driven links are connected by two intermediate links made like a pipe in a pipe , while the driving link has a pivot axis rigidly connected to the support link, while on the pivot axis there are two pulleys connected by a belt drive with pulleys rigidly mounted on the external intermediate link and one pulley rigidly fixed to the axle, connected to w nod rigidly mounted on the inner intermediate link.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Фиг.1 – вид манипулятора сбоку;Fig. 1 is a side view of the manipulator;

Фиг.2, 3 - общий вид манипулятора в проекции;Fig. 2, 3 - General view of the manipulator in projection;

Фиг.4 (а-г) - общий вид манипулятора с различным положением рабочего инструмента.Fig. 4 (a-d) is a general view of the manipulator with different positions of the working tool.

Описание осуществления изобретенияDescription of the implementation of the invention

Манипулятор устанавливается на исполнительной консоли пациента, входящей в состав роботизированного хирургического комплекса, и совершает перемещения в ответ на движение управляющего манипулятора, установленного на консоли хирурга. The manipulator is installed on the patient's executive console, which is part of the robotic surgical complex, and moves in response to the movement of the control manipulator installed on the surgeon's console.

В некоторых вариантах осуществления изобретения манипуляторы включают в себя сервоприводы, выполненные со встроенным электромагнитным тормозом и датчиком положения углов (энкодером). В других вариантах осуществления энкодер соединяется с двигателем посредством специального переходника.In some embodiments of the invention, the manipulators include servos provided with a built-in electromagnetic brake and an angle position sensor (encoder). In other embodiments, the encoder is connected to the motor through a dedicated adapter.

Манипулятор роботизированного хирургического комплекса содержит рычажный механизм, соединенный с хирургическим инструментом и приводной частью.The manipulator of the robotic surgical complex contains a lever mechanism connected to the surgical instrument and the drive part.

Рычажный механизм включает жесткие звенья 1, 2, 3, 4 и 5, при этом неподвижное опорное звено 1 и ведущее звено 2 соединены между собой первой осью вращения 6 c возможностью поворота звена 2 относительно упомянутой оси вращения 6; промежуточное звено 4 соединено с ведущим звеном 2 посредством второй оси вращения 7, а промежуточное звено 3 соединено с ведущим звеном 2 посредством оси 8; ведомое звено 5 соединено с промежуточным звеном 4 посредством оси вращения 9 и с промежуточным звеном 3 посредством оси вращения 10. The linkage mechanism includes rigid links 1, 2, 3, 4 and 5, while the stationary support link 1 and the driving link 2 are interconnected by the first axis of rotation 6 with the possibility of rotation of the link 2 relative to the mentioned axis of rotation 6; the intermediate link 4 is connected to the driving link 2 by means of the second axis of rotation 7, and the intermediate link 3 is connected to the driving link 2 by means of the axis 8; the driven link 5 is connected to the intermediate link 4 by means of the axis of rotation 9 and to the intermediate link 3 by means of the axis of rotation 10.

Промежуточное звено 3 расположено внутри промежуточного звена 4 по типу «труба в трубе» с возможностью параллельного перемещения друг относительно друга. The intermediate link 3 is located inside the intermediate link 4 in the "pipe-in-pipe" type with the possibility of parallel movement relative to each other.

Звенья рычажного механизма образуют параллелограмм, что обеспечивает ограничение перемещения хирургического инструмента относительно центра вращения А. Выполнение промежуточных звеньев 3 и 4 по типу «труба в трубе» обеспечивает жесткость системы на кручение, что позволяет повысить точность размещения хирургического инструмента в заданной точке. The links of the linkage form a parallelogram, which limits the movement of the surgical instrument relative to the center of rotation A. Execution of intermediate links 3 and 4 according to the "pipe in pipe" type provides torsional rigidity of the system, which improves the accuracy of placement of the surgical instrument at a given point.

Приводная часть выполнена в виде двух серводвигателей 11 и 12, при этом серводвигатель 11 обеспечивает вращение всего манипулятора совместно с хирургическим инструментом 13 относительно звена 1 вокруг оси серводвигателя 11, а серводвигатель 12 обеспечивает перемещение ведущего звена 2 рычажного механизма относительно оси 6 и синхронное перемещение ведомого звена 5 совместно с хирургическим инструментом 13, при этом угол между звеньями 2 и 5 является постоянным. The drive part is made in the form of two servomotors 11 and 12, while the servomotor 11 rotates the entire manipulator together with the surgical instrument 13 relative to the link 1 around the axis of the servomotor 11, and the servomotor 12 provides the movement of the driving link 2 of the lever mechanism relative to the axis 6 and the synchronous movement of the driven link 5 together with a surgical instrument 13, while the angle between links 2 and 5 is constant.

Выполнение оси серводвигателя 11 (Фиг.1) выше оси 6 позволяет улучшить сбалансированность манипулятора. Making the axis of the servomotor 11 (Fig. 1) higher than the axis 6 allows to improve the balance of the manipulator.

Серводвигатель 12 расположен в корпусе, при этом его выходной вал связан посредством шкивов и ременной передачи 14 с передаточным валом. На передаточном валу установлены два шкива 15, связанные со шкивами 16, установленными на оси вращения 6, посредством двух ременных передач 17. Серводвигатель 12 передает момент вращения на ось 6, посредством указанной системы шкивов. Шкивы 16 жестко связаны с ведущим звеном 2 и обеспечивают его поворот относительно оси 6. The servomotor 12 is located in the housing, while its output shaft is connected by means of pulleys and a belt drive 14 to the transmission shaft. On the transmission shaft there are two pulleys 15 connected to the pulleys 16 mounted on the axis of rotation 6 by means of two belt drives 17. The servomotor 12 transmits the torque to the axis 6 by means of the specified system of pulleys. The pulleys 16 are rigidly connected to the driving link 2 and provide its rotation about the axis 6.

На оси 6 также установлены шкивы 18, соединенные посредством ременных передач 19 со шкивами 20, жестко установленными на промежуточном звене 4 и шкив 21, соединенный посредством ременной передачи 22 со шкивом 23, жестко установленным на промежуточном звене 4.On the axle 6, pulleys 18 are also installed, connected by means of belt drives 19 with pulleys 20 rigidly mounted on an intermediate link 4 and a pulley 21 connected by a belt drive 22 with a pulley 23 rigidly mounted on an intermediate link 4.

Ведомое звено 5 содержит серводвигатель (не показан), соединенный посредством троса 24 с платформой 25, на которой закреплен хирургический инструмент 13, и перемещающейся по линейной направляющей 26 ведомого звена 5 для подведения хирургического инструмента к троакару и введения в него.The driven link 5 contains a servomotor (not shown) connected by means of a cable 24 to a platform 25, on which the surgical instrument 13 is fixed, and moving along a linear guide 26 of the driven link 5 for bringing the surgical instrument to the trocar and inserting into it.

Манипулятор связан с цифровым блоком управления, получающим команды передаваемые оператором (хирургом) с консоли хирурга и передающим команды на включение или выключение серводвигателей манипулятора посредством микроконтроллеров. The manipulator is connected to a digital control unit that receives commands transmitted by the operator (surgeon) from the surgeon's console and transmits commands to turn on or off the manipulator servomotors by means of microcontrollers.

Также цифровой блок управления предназначен для получения сигналов от микроконтроллеров о текущем положении манипулятора и передачи полученных сигналов на внешнюю систему управления роботохирургическим комплексом. Информация с каждого микроконтроллера поступает в цифровой блок управления, где осуществляется обработка данных о положении звеньев манипулятора и соответственно хирургического инструмента. Also, the digital control unit is designed to receive signals from microcontrollers about the current position of the manipulator and transmit the received signals to the external control system of the robotic surgical complex. Information from each microcontroller enters the digital control unit, where data is processed on the position of the manipulator links and, accordingly, the surgical instrument.

Каждый серводвигатель, входящий в состав манипулятора соединен с энкодерами, обеспечивающими измерение параметров угловых и линейных перемещений. При отклонении параметров от заложенных инструкцией микроконтроллер подает команду на соответствующий серводвигатель для осуществления корректировки параметров положения. Это позволяет исключить травмоопасность для пациента.Each servomotor included in the manipulator is connected to encoders that measure the parameters of angular and linear displacements. If the parameters deviate from those laid down by the instruction, the microcontroller sends a command to the corresponding servo motor to correct the position parameters. This eliminates the risk of injury to the patient.

Описание работы устройстваDescription of device operation

Введение хирургического инструмента в троакар осуществляется после подведения хирургического инструмента к троакару системой позиционирования (рука хирургического робота). Посредством подачи сигнала со стойки хирурга осуществляют запуск электродвигателя, размещенного на ведомом звене 5 манипулятора, после чего начинается вращение закрепленного на валу барабана и осуществляется намотка/размотка связанного с ним троса 24, который обеспечивает перемещение платформы 25 с установленным на ней хирургическим инструментом 13 вдоль линейной направляющей 26, закреплённой на ведомом звене 5. Посредством указанного поступательного линейного перемещения осуществляют введение хирургического инструмента в троакар в теле пациента. Дальнейшее перемещение хирургического инструмента в теле пациента осуществляется относительно удаленного центра вращения А. The introduction of the surgical instrument into the trocar is carried out after the surgical instrument is brought to the trocar by the positioning system (the arm of the surgical robot). By sending a signal from the surgeon's stand, the electric motor located on the driven link 5 of the manipulator is started, after which the rotation of the drum fixed on the shaft begins and the cable 24 connected to it is wound / unwound, which ensures the movement of the platform 25 with the surgical instrument 13 installed on it along the linear the guide 26, fixed on the driven link 5. By means of the specified translational linear movement, the surgical instrument is introduced into the trocar in the patient's body. Further movement of the surgical instrument in the patient's body is carried out relative to the remote center of rotation A.

При возникновении необходимости движения манипулятора оператор с помощью блока управления манипулятором, установленного на стойке оператора, позиционирует манипулятор требуемым образом.When it becomes necessary to move the manipulator, the operator, using the manipulator control unit installed on the operator's stand, positions the manipulator in the required way.

При подаче сигнала на включение серводвигателя 12 момент от серводвигателя 12 передается через две ременные передачи 17 на шкивы 16, жестко закрепленные на ведущем звене 2, и ось 6 с установленными шкивами 18 и шкивом 21 соответственно. От шкива 21 через ременную передачу 22 вращение передается на шкив 23, жестко соединений с промежуточным звеном 3, а от шкивов 18 посредством двух ременных передач 19 на шкивы 20, жестко закрепленные на промежуточном звене 4. При этом обеспечивается перемещение ведущего звена 2 вперед-назад с поворотом вокруг оси 6 на заданный угол и поступательное перемещение промежуточных звеньев 3 и 4, которые, толкая ведомое звено 5, приводят к синхронному перемещению хирургического инструмента установленного на ведомом звене 5 относительно центра вращения вперед-назад. When a signal is given to turn on the servomotor 12, the torque from the servomotor 12 is transmitted through two belt drives 17 to the pulleys 16 rigidly fixed to the driving link 2 and the axis 6 with the pulleys 18 and the pulley 21 installed, respectively. From the pulley 21 through the belt drive 22, rotation is transmitted to the pulley 23, rigidly connected with the intermediate link 3, and from the pulleys 18 by means of two belt drives 19 to the pulleys 20 rigidly fixed to the intermediate link 4. This ensures the movement of the driving link 2 back and forth with rotation around the axis 6 at a given angle and translational movement of the intermediate links 3 and 4, which, pushing the driven link 5, lead to the synchronous movement of the surgical instrument mounted on the driven link 5 relative to the center of rotation back and forth.

При необходимости смещения хирургического инструмента влево-вправо подается команда на включение серводвигателя 11, вращение которого обеспечивает поворот манипулятора относительно оси серводвигателя 11. If it is necessary to move the surgical instrument to the left-right, a command is given to turn on the servo motor 11, the rotation of which ensures the rotation of the manipulator relative to the axis of the servo motor 11.

Поворот инструмента относительно его продольной оси осуществляется за счет двигателя, установленного в верхней части корпуса хирургического инструмента, команду на который также подает оператор через цифровой блок управления.The rotation of the instrument relative to its longitudinal axis is carried out by a motor installed in the upper part of the body of the surgical instrument, which is also commanded by the operator via a digital control unit.

Выполнение конструкции манипулятора по типу параллелограмма, параллельные стороны (промежуточные звенья 3 и 4) которого выполнены по типу «труба в трубе» обеспечивает возможность точного позиционирования инструмента посредством удаленного управления за счет высокой жесткости конструкции. Обеспечение перемещения инструмента относительно удаленного центра вращения, а также использование энкодеров посредством которых осуществляется контроль относительных перемещений инструмента, позволяет повысить безопасность хирургического вмешательства для пациента. The design of the manipulator is of the parallelogram type, the parallel sides (intermediate links 3 and 4) of which are made as a "pipe in pipe" provides the possibility of accurate positioning of the tool by means of remote control due to the high rigidity of the structure. Ensuring the movement of the instrument relative to the remote center of rotation, as well as the use of encoders by means of which the relative movements of the instrument are monitored, makes it possible to increase the safety of the surgical intervention for the patient.

Claims (4)

1. Манипулятор роботизированного хирургического комплекса, содержащий приводной механизм, включающий приводной вал с первой осью вращения для поворота манипулятора вокруг продольной оси, и приводной механизм, связанный посредством передаточного механизма со второй осью вращения, выполненной ниже первой оси вращения и соединенной с рычажным механизмом, включающим опорное, ведущее и ведомое звенья, при этом ведущее звено, установленное на второй оси вращения, соединено с передаточным механизмом, а ведомое звено соединено с хирургическим инструментом, имеющим удаленный центр вращения, отличающийся тем, что ведущее и ведомое звенья соединены двумя промежуточными звеньями, выполненными по типу труба в трубе, ведущее звено связано с передаточным механизмом посредством системы шкивов и ременных передач, на второй оси вращения, жестко связанной с опорным звеном, размещены два шкива, связанные ременной передачей со шкивами, жестко установленными на внешнем промежуточном звене и один жестко закрепленный на второй оси шкив, соединенный со шкивом, жестко установленным на внутреннем промежуточном звене.1. Manipulator of a robotic surgical complex containing a drive mechanism including a drive shaft with a first axis of rotation to rotate the manipulator around a longitudinal axis, and a drive mechanism connected by means of a transmission mechanism with a second axis of rotation made below the first axis of rotation and connected to a linkage including supporting, driving and driven links, while the driving link installed on the second axis of rotation is connected to the transmission mechanism, and the driven link is connected to a surgical instrument having a remote center of rotation, characterized in that the driving and driven links are connected by two intermediate links made by the type of a pipe in a pipe, the driving link is connected to the transmission mechanism by means of a system of pulleys and belt drives, on the second axis of rotation, rigidly connected to the support link, there are two pulleys connected by a belt drive with pulleys rigidly mounted on the external intermediate link and one rigidly a pulley mounted on a second axle, connected to a pulley rigidly mounted on an internal intermediate link. 2. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что выходной вал приводного механизма, соединенного с рычажным механизмом и выполненного в виде серводвигателя, связан посредством системы шкивов и ременной передачей с передаточным валом.2. Manipulator according to claim 1, characterized in that the output shaft of the drive mechanism connected to the linkage mechanism and made in the form of a servo motor is connected by means of a system of pulleys and a belt drive to the transmission shaft. 3. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что приводные механизмы выполнены в виде серводвигателей.3. The manipulator according to claim 1, characterized in that the drive mechanisms are made in the form of servo motors. 4. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что приводные механизмы соединены с энкодерами.4. Manipulator according to claim 1, characterized in that the drive mechanisms are connected to encoders.
RU2020142474A 2020-12-22 2020-12-22 Manipulator of a robotic surgical complex RU2754219C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020142474A RU2754219C1 (en) 2020-12-22 2020-12-22 Manipulator of a robotic surgical complex

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020142474A RU2754219C1 (en) 2020-12-22 2020-12-22 Manipulator of a robotic surgical complex

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2754219C1 true RU2754219C1 (en) 2021-08-30

Family

ID=77669878

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020142474A RU2754219C1 (en) 2020-12-22 2020-12-22 Manipulator of a robotic surgical complex

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2754219C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU208913U1 (en) * 2021-09-23 2022-01-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) SURGICAL ROBOT MANIPULATOR

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008157225A1 (en) * 2007-06-19 2008-12-24 Intuitive Surgical, Inc. Robotic manipulator with remote center of motion and compact drive
CN101443162B (en) * 2006-02-03 2011-09-07 欧洲原子能共同体由欧洲委员会代表 Robotic surgical system for performing minimally invasive medical procedures
WO2013181522A1 (en) * 2012-06-01 2013-12-05 Intuitive Surgical Operations, Inc. Redundant axis and degree of freedom for hardware-constrained remote center robotic manipulator
WO2014146120A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Intuitive Surgical Operations, Inc. Systems and methods for using the null space to emphasize anipulator joint motion anisotropically
RU187033U1 (en) * 2018-07-05 2019-02-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" SURGICAL MANIPULATOR
US10299883B2 (en) * 2013-03-15 2019-05-28 Sri International Hyperdexterous surgical system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101443162B (en) * 2006-02-03 2011-09-07 欧洲原子能共同体由欧洲委员会代表 Robotic surgical system for performing minimally invasive medical procedures
WO2008157225A1 (en) * 2007-06-19 2008-12-24 Intuitive Surgical, Inc. Robotic manipulator with remote center of motion and compact drive
WO2013181522A1 (en) * 2012-06-01 2013-12-05 Intuitive Surgical Operations, Inc. Redundant axis and degree of freedom for hardware-constrained remote center robotic manipulator
WO2014146120A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Intuitive Surgical Operations, Inc. Systems and methods for using the null space to emphasize anipulator joint motion anisotropically
US10299883B2 (en) * 2013-03-15 2019-05-28 Sri International Hyperdexterous surgical system
RU187033U1 (en) * 2018-07-05 2019-02-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" SURGICAL MANIPULATOR

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU208913U1 (en) * 2021-09-23 2022-01-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) SURGICAL ROBOT MANIPULATOR

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230218354A1 (en) Surgery supporting apparatus for controlling motion of robot arm
JP6896047B2 (en) Systems and methods for proximal control of surgical instruments
EP2052675B1 (en) A control assembly
CA2498922C (en) Articulated surgical instrument for performing minimally invasive surgery with enhanced dexterity and sensitivity
EP1015068B1 (en) Multi-component telepresence system and method for preparation
US8231610B2 (en) Robotic surgical system for laparoscopic surgery
US9839439B2 (en) Rotary input lever gimbal
JP2017080887A (en) Application of force feedback in input device that urges input device operator to give instruction so that joint instrument takes appropriate posture
CN107753109B (en) Concentric tube robot device and control method thereof
EP1681029A1 (en) Apparatus and process for manipulating medical instruments
WO2013023150A1 (en) Remote center of motion mechanism and method of use
US20230000572A1 (en) Surgical system and method of controlling surgical manipulator arm
JP2022547715A (en) Direct-controlled and robot-assisted hybrid surgical system
CN110916801B (en) Surgical robot mechanical arm capable of realizing high-precision positioning and posture adjustment
JP2020065904A (en) Surgery assistance apparatus
RU2754219C1 (en) Manipulator of a robotic surgical complex
JP2002103255A (en) Support device of manipulator
JP2020065910A (en) Surgery assistance apparatus
RU2803231C1 (en) Leading manipulator of the robotic surgical complex
RU2757969C1 (en) Robotic surgical complex manipulator control device
RU198063U1 (en) DEVICE FOR POSITIONING SURGICAL INSTRUMENT IN SPACE
JP2022160978A (en) Surgery system
EA043724B1 (en) SURGICAL ROBOT MANIPULATOR