RU2774990C1 - Method for controlling a robotic surgical complex - Google Patents

Method for controlling a robotic surgical complex Download PDF

Info

Publication number
RU2774990C1
RU2774990C1 RU2021126240A RU2021126240A RU2774990C1 RU 2774990 C1 RU2774990 C1 RU 2774990C1 RU 2021126240 A RU2021126240 A RU 2021126240A RU 2021126240 A RU2021126240 A RU 2021126240A RU 2774990 C1 RU2774990 C1 RU 2774990C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
manipulator
executive
coordinate system
coordinates
surgical instrument
Prior art date
Application number
RU2021126240A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Денис Александрович Антонов
Михаил Давидович Бронштейн
Валентин Александрович Жихарев
Алексей Евгеньевич Лисин
Сергей Владимирович Рыжов
Original Assignee
Акционерное общество "Казанский электротехнический завод"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Казанский электротехнический завод" filed Critical Акционерное общество "Казанский электротехнический завод"
Application granted granted Critical
Publication of RU2774990C1 publication Critical patent/RU2774990C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medical technology.
SUBSTANCE: invention relates to medicine, namely to methods for controlling a robotic surgical complex. The complex contains a surgeon’s console equipped with a main manipulator with a control handle made in the form of a planetary lever mechanism, a patient’s stand with a delivery unit equipped with an executive manipulator with surgical instruments and a video camera attached to them, a display and local controllers connected to an automatic control system and servo encoders in the systems of the main and executive manipulators, each of which is characterized by a coordinate system. The method includes continuous determination by means of encoders of coordinates and angular positions of the main manipulator, coordinates and angles of rotation of the knees of the delivery unit, coordinates of executive manipulators with a video camera and with a surgical instrument. The trocar point is selected with its position fixed in the global coordinate system. The angular positions, points and vectors of the delivery unit and the main manipulator are determined in the global coordinate system and in the coordinate system of the camera. The deviations of the points and vectors of the control handle in the coordinate systems of the main manipulator and the display are determined by a mathematical algorithm as a result of the operator’s hand acting on the control handle, causing the movement of the surgical instrument in the operating field by means of deviations of the points, vectors and angular positions of the rod and the end effector of the surgical instrument, and the executive manipulator calculated by a mathematical algorithm. The calculated values are transmitted to the servo motors of the executive manipulator.
EFFECT: dynamic accuracy of positioning of the surgical instrument is achieved.
6 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к области медицинского оборудования, в частности к способу управления роботохирургическим комплексом.The invention relates to the field of medical equipment, in particular to a method for controlling a robotic surgical complex.

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 type of surgery is laparotomy, which involves making a long incision in the abdomen through which traditional surgical instruments are inserted. However, the implementation of long incisions inevitably leads to high blood loss and long-term recovery of patients. 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 shortcomings. Instead of one long incision, four to five small incisions are made on the patient through which long and thin surgical instruments and endoscopic cameras are inserted. This method reduces blood loss, reduces the time spent in the hospital and reduces the pain of the patient during the recovery period. However, despite the above advantages, laparoscopy requires extremely high skills 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, work with endoscopic instruments forces surgeons to work in an uncomfortable position, which can be tiring for several hours of work, sensitivity decreases, and the surgeon's hand tremor increases.

Развитие лапароскопии привело к возникновению роботохирургии и, в частности, к возможности применения роботизированных хирургических систем. 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 has led to the emergence of robotic surgery and, in particular, to the possibility of using robotic surgical systems. Minimally invasive surgical operations using robotic systems are characterized by low trauma, faster patient recovery, reduced risk of complications and high efficiency.

С помощью компьютеризированного роботизированного интерфейса данные системы позволяют выполнять лапароскопию дистанционно, когда хирург сидит за консолью и управляет манипуляторами, передающими движения непосредственно на хирургические инструменты, с помощью управляющей рукояти.With the help of a computerized robotic interface, these systems allow remote laparoscopy, when the surgeon sits at the console and controls the manipulators, which transmit movements directly to the surgical instruments, using the control handle.

Существуют различные способы управления перемещением хирургического инструмента, закрепленного на исполнительном манипуляторе роботохирургического комплекса.There are various ways to control the movement of a surgical instrument attached to the executive manipulator of a robotic surgical complex.

Известен способ управления камерой в роботохирургическом комплексе (патент РФ №2721461, МПК B25J 9/16, B25J 19/04, A61B 34/37, опубликован 19.05.2020), который характеризуется следующими шагами:A known method for controlling a camera in a robotic surgical complex (RF patent No. 2721461, IPC B25J 9/16, B25J 19/04, A61B 34/37, published on May 19, 2020), which is characterized by the following steps:

передача данных векторов движения по трем поступательным и трем вращательным степеням свободы правого и левого контроллеров управления в систему автоматического управления с постоянной частотой,transmission of motion vector data via three translational and three rotational degrees of freedom of the right and left control controllers to the automatic control system at a constant frequency,

осуществление переключения контроллеров управления в режим управления камерой, закрепленной на манипуляторе, путем нажатия на педаль управления;switching the control controllers to the control mode of the camera fixed on the manipulator by pressing the control pedal;

осуществление управления движением манипулятора с закрепленной на нем камерой посредством одновременного перемещения контроллеров управления и последующего выполнения следующих этапов:control of the movement of the manipulator with the camera attached to it by simultaneously moving the control controllers and then performing the following steps:

этап сохранения полученных векторов движения контроллеров управления в системе автоматического управления;the step of storing the received motion vectors of the control controllers in the automatic control system;

этап обработки и объединения векторов движения правого и левого контроллеров управления, характеризующих поступательные движения, для нахождения суммарного перемещения;the stage of processing and combining the motion vectors of the right and left control controllers, characterizing the translational motion, to find the total displacement;

этап масштабирования полученного на предыдущем этапе вектора перемещения;a step of scaling the displacement vector obtained in the previous step;

этап компенсации движения;motion compensation stage;

этап компенсации отклонения линии горизонта от средней линии кадра;a step of compensating for a deviation of the horizon line from the center line of the frame;

этап одновременной передачи полученных на предыдущих шагах данных на исполнительные механизмы манипулятора для его поступательного перемещения и поворота вокруг продольной оси закрепленной на нем камеры.the stage of simultaneous transmission of the data obtained in the previous steps to the actuators of the manipulator for its translational movement and rotation around the longitudinal axis of the camera fixed on it.

Данный метод решает задачу управления камерой, установленной на одном из манипуляторов, с помощью двух ведущих манипуляторов. Описан метод передачи управляющих команд системы координат ведущих манипуляторов в команды на привода исполнительного манипулятора с установленной камерой. Метод интуитивного управления инструментами и исполнительными манипуляторами от ведущих манипуляторов хирурга не представлен.This method solves the problem of controlling a camera mounted on one of the manipulators using two master manipulators. The method of transferring the control commands of the coordinate system of the leading manipulators to the commands to the drives of the executive manipulator with the installed camera is described. The method of intuitive control of instruments and executive manipulators from the surgeon's leading manipulators is not presented.

Известен способ управления медицинской роботизированной системой (патента США № US 7785320, МПК A61B-017/00, A61B-017/04, A61B-017/11, A61B-017/28, A61B-019/00, A61B-019/02, A61B-019/08, опубликован 31.08.2010), включающий: получение информации от первого набора датчиков, определяющих движение устройства ввода; подача команды манипулятору на перемещение хирургического инструмента вокруг точки поворота в ответ на полученную информацию о перемещении устройства ввода; получение информации от второго набора датчиков, определяющих перемещение манипулятора; определение того, выходит ли точка поворота за заданную область значений, на основе полученной информации о перемещении манипулятора; а также передача команды манипулятору на остановку хирургического инструмента вокруг точки поворота, если точка поворота выходит за заданную область значений.A known method of controlling a medical robotic system (US patent No. US 7785320, IPC A61B-017/00, A61B-017/04, A61B-017/11, A61B-017/28, A61B-019/00, A61B-019/02, A61B-019/08, published 08/31/2010), including: receiving information from the first set of sensors that determine the movement of the input device; commanding the manipulator to move the surgical instrument around the pivot point in response to the received information about the movement of the input device; receiving information from the second set of sensors that determine the movement of the manipulator; determining whether the pivot point is out of the predetermined range based on the obtained information about the movement of the manipulator; as well as sending a command to the manipulator to stop the surgical instrument around the pivot point if the pivot point is outside the specified range of values.

В данном методе описан исключительно способ управления манипулятором и инструментом без соотнесения с системой координат камеры. Рассмотрен исполнительный механизм, имеющий 7 степеней свободы. Рассмотрен ведущий манипулятор, имеющий 5 степеней свободы. Отсутствует описание технического решения обеспечивающее интуитивную передачу управляющего воздействия от ведущего манипулятора к исполнительному с учетом всех осей системы.This method describes only the way to control the manipulator and the tool without reference to the camera coordinate system. An actuator with 7 degrees of freedom is considered. The leading manipulator having 5 degrees of freedom is considered. There is no description of the technical solution that provides an intuitive transfer of the control action from the leading manipulator to the executive manipulator, taking into account all axes of the system.

Известен способ позиционирования манипулирующей руки (патент РФ №2719919, МПК A61B 34/20, A61B 34/30, B25J 9/10, опубликован 23.04.2020) в координатной системе (X, Y, Z) устройства для роботизированной хирургии, при котором определяют координаты (xz, yz, zz) целевой зоны в пациенте и при котором для позиционирования манипулирующей руки инструментальный блок соединяют с блоком сопряжения манипулирующей руки, причем инструментальный блок включает в себя хирургический инструмент, который имеет инструментальный хвостовик с продольной осью, при котором при соединении инструментального блока с блоком сопряжения с помощью управляющего блока определяют перпендикулярный продольной оси промежуточный вектор (V) между продольной осью и заданной координатами (xz, yz, zz) целевой зоной и при котором с помощью блока выдачи выдают первый оптический и/или акустический сигнал, когда величина определенного промежуточного вектора (V) имеет первое предварительно настроенное значение или находится ниже него.A known method for positioning a manipulating arm (RF patent No. 2719919, IPC A61B 34/20, A61B 34/30, B25J 9/10, published on April 23, 2020) in the coordinate system (X, Y, Z) of a device for robotic surgery, in which coordinates (xz, yz, zz) of the target zone in the patient and at which, for positioning the manipulating hand, the tool block is connected to the interface block of the manipulating hand, and the tool block includes a surgical instrument that has a tool shank with a longitudinal axis, in which, when connecting the instrumental block with a conjugation block, using the control block, an intermediate vector (V) perpendicular to the longitudinal axis is determined between the longitudinal axis and the given coordinates (xz, yz, zz) of the target zone, and at which the first optical and/or acoustic signal is output using the output unit, when the value defined intermediate vector (V) is at or below the first preset value .

В данном методе рассмотрен только способ позиционирования и расположения систем координат, связанных с операционным полем, телом пациента и манипулятором. Не рассмотрено управление, связанное с системой координат видеокамеры. В этом методе не решена задача интуитивного управления. Не описан способ передачи управляющего воздействия от рук хирурга до манипулятора. In this method, only the method of positioning and location of coordinate systems associated with the surgical field, the patient's body and the manipulator is considered. The control associated with the coordinate system of the video camera is not considered. This method does not solve the problem of intuitive control. The method of transferring the control action from the hands of the surgeon to the manipulator is not described.

Известен способ перемещения концевого эффектора манипулятора по заданной траектории (патент США №8774969, МПК G05B19/18, опубликован 08.07.2014), при котором манипулятор имеет нулевое пространство по отношению к заранее определенной траектории, по меньшей мере, с двумя положениями манипулятора, связанными с одним и тем же положением концевого исполнительного механизма, при этом манипулятор размещается в нулевом пространстве, и в процессоре переменная процесса конечного эффектора автоматически изменяется в соответствии с выявленным размещением. Положение манипулятора описывается шарнирным углом q=[q 1, q 2, … q 6]. Концевой эффектор, обозначенный центральной точкой TCP инструмента, должен пройти заранее заданный горизонтальный путь x (s). По умолчанию, во время работы робот перемещается по заранее заданному пути x(s) с постоянной скоростью dx/dt=v. При этом способ включает в себя следующие этапы: регистрацию размещения манипулятора в указанном нулевом пространстве, при этом указанное размещение является прямым манипулированием указанным манипулятором в указанном нулевом пространстве; а также автоматическое изменение, по меньшей мере, одной переменной процесса, соответствующей зарегистрированному размещению, при этом указанная, по меньшей мере, одна переменная процесса изменяется без изменения положения концевого эффектора относительно указанного заранее заданного пути.A known method of moving the end effector of the manipulator along a predetermined trajectory (US patent No. 8774969, IPC G05B19/18, published 07/08/2014), in which the manipulator has zero space in relation to a predetermined trajectory, with at least two positions of the manipulator associated with the same position of the end actuator, while the manipulator is placed in zero space, and in the processor the process variable of the end effector is automatically changed in accordance with the detected placement. The position of the manipulator is described by the hinge angle q=[q 1, q 2, … q 6]. The end effector, indicated by the instrument's center point TCP, must travel a predefined horizontal path x(s). By default, during operation, the robot moves along a predetermined path x(s) with a constant speed dx/dt=v. The method includes the following steps: registering the placement of the manipulator in the specified null space, wherein the specified placement is direct manipulation of the specified manipulator in the specified null space; and automatically changing at least one process variable corresponding to the registered placement, wherein said at least one process variable is changed without changing the position of the end effector relative to said predetermined path.

В данном техническом решении изложен метод планирования перемещения точки концевого эффектора по заранее заданной траектории с постоянной скоростью. Предлагаемый в заявляемом техническом решении метод обеспечивает перемещение концевого эффектора по траектории, задаваемой рукой оператора.This technical solution describes a method for planning the movement of an end effector point along a predetermined trajectory at a constant speed. The method proposed in the claimed technical solution ensures the movement of the end effector along the trajectory specified by the operator's hand.

Известен способ управления медицинской системой минимального инвазивного вмешательства (патент РФ №2518806, МПК B25J 13/02, опубликован 10.06.2014), содержащей манипулятор, имеющий исполнительный орган, оснащенный имеющим 6 степеней подвижности (6-DOF) датчиком усилия/крутящего момента, который имеет систему координат (X, Y, Z) датчика с тремя взаимно перпендикулярными осями, и инструмент минимального инвазивного вмешательства, имеющий первый конец, закрепленный на исполнительном органе, второй конец, расположенный за внешним центром вращения, который ограничивает инструмент в перемещении, и стержень инструмента, продольная ось которого коллинеарна с осью (Z) инструмента системы координат (X, Y, Z) датчика,A known method of controlling a medical system of minimally invasive intervention (RF patent No. 2518806, IPC B25J 13/02, published 06/10/2014), containing a manipulator having an executive body equipped with a 6 degrees of freedom (6-DOF) force/torque sensor, which has a coordinate system (X, Y, Z) of a sensor with three mutually perpendicular axes, and a minimally invasive instrument, having a first end fixed on the executive body, a second end located behind the external center of rotation, which limits the tool in movement, and a tool rod , whose longitudinal axis is collinear with the axis (Z) of the tool of the coordinate system (X, Y, Z) of the sensor,

при этом способ включает определение положения инструмента относительно внешнего центра вращения, включая определение вектора первоначального исходного расстояния от исходной системы координат (X, Y, Z) датчика к внешнему центру вращения, которое, в свою очередь, включает перемещение инструмента минимального инвазивного вмешательства вдоль двух осей (X, Y) системы координат (X, Y, Z) датчика, перпендикулярным оси (Z) инструмента, соответственно, пока сила реакции вдоль обеих осей (X, Y) ниже заданного порогового значения, и определение положения внешнего центра вращения вдоль оси (Z) инструмента, используя закон рычага, в частности посредством поворота инструмента до достижения достаточного контактного усилия, измерения модуля вектора момента и модуля вектора силы, соответствующего этому контактному усилию, и вычисления положения внешнего центра вращения вдоль оси (Z) инструмента посредством деления модуля вектора момента на модуль вектора силы.wherein the method includes determining the position of the instrument relative to the external center of rotation, including determining the vector of the initial initial distance from the initial coordinate system (X, Y, Z) of the sensor to the external center of rotation, which, in turn, includes moving the instrument of minimal invasive intervention along two axes (X, Y) coordinate system (X, Y, Z) of the probe perpendicular to the (Z) axis of the tool, respectively, as long as the reaction force along both (X, Y) axes is below the specified threshold value, and determining the position of the outer center of rotation along the axis ( Z) of the tool, using the law of the lever, in particular by turning the tool until a sufficient contact force is reached, measuring the module of the moment vector and the module of the force vector corresponding to this contact force, and calculating the position of the external center of rotation along the axis (Z) of the tool by dividing the module of the moment vector to the modulus of the force vector.

Описанное техническое решение направлено на определение силы и момента по 6 степеням свободы на внешнем центре вращения и на конце рабочей части инструмента. В указанном решении не представлен способ передачи управления от ведущего манипулятора хирурга к исполнительному манипулятору в оперируемой области.The described technical solution is aimed at determining the force and moment by 6 degrees of freedom at the outer center of rotation and at the end of the working part of the tool. This solution does not provide a way to transfer control from the leading manipulator of the surgeon to the executive manipulator in the operated area.

Техническая задача заявляемого изобретения заключается в обеспечении точного позиционирования хирургического инструмента и повышении интуитивности управления.The technical task of the claimed invention is to ensure accurate positioning of the surgical instrument and improve the intuitiveness of control.

Технический результат - управление перемещением хирургического инструмента роботизированного хирургического комплекса, обеспечивающее динамическую точность позиционирования хирургического инструмента.EFFECT: controlling the movement of a surgical instrument of a robotic surgical complex, which ensures dynamic positioning accuracy of the surgical instrument.

Технический результат достигается тем, что способ управления роботохирургическим комплексом, содержащим следующие узлы: консоль хирурга, снабженную главным манипулятором с управляющей рукоятью, выполненной в виде планетарно-рычажного механизма, узел доставки, снабженный исполнительными манипуляторами с закрепленными на них хирургическими инструментами и видеокамерой, дисплей и локальные контроллеры, связанные с системой автоматического управления и энкодерами сервоприводов в системах главного и исполнительного манипуляторов, каждый из которых характеризуется системой координат; включает непрерывное определение посредством энкодеров координат и угловых положений главного манипулятора, координат и углов поворотов колен узла доставки, координат исполнительных манипуляторов с видеокамерой и с хирургическим инструментом; выбор точки троакара с фиксированием ее положения в глобальной системе координат; определение базовых угловых положений, точек и векторов узла доставки и главного манипулятора в глобальной системе координат и в системе координат камеры; определение по математическому алгоритму отклонений точек и векторов управляющей рукояти в системах координат главного манипулятор и дисплея в результате воздействия руки оператора на управляющую рукоять, вызывающего перемещение хирургического инструмента в операционном поле посредством вычисляемых по математическому алгоритму отклонений точек, векторов и угловых положений штока и концевого эффектора хирургического инструмента и исполнительного манипулятора; передача вычисленных значений на серводвигатели исполнительного манипулятора.The technical result is achieved by the fact that the method of controlling a robotic surgical complex containing the following units: a surgeon's console equipped with a main manipulator with a control handle made in the form of a planetary lever mechanism, a delivery unit equipped with executive manipulators with surgical instruments and a video camera attached to them, a display and local controllers associated with the automatic control system and servo encoders in the systems of the main and executive manipulators, each of which is characterized by a coordinate system; includes continuous determination by means of encoders of the coordinates and angular positions of the main manipulator, the coordinates and angles of rotation of the knees of the delivery unit, the coordinates of the executive manipulators with a video camera and with a surgical instrument; selection of a trocar point with fixation of its position in the global coordinate system; determining the basic angular positions, points and vectors of the delivery unit and the main manipulator in the global coordinate system and in the camera coordinate system; determination by a mathematical algorithm of deviations of points and vectors of the control arm in the coordinate systems of the main manipulator and the display as a result of the operator’s hand on the control arm, causing the surgical instrument to move in the operating field by means of deviations of points, vectors and angular positions of the rod and end effector of the surgical instrument calculated by the mathematical algorithm instrument and executive manipulator; transfer of the calculated values to the servomotors of the executive manipulator.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 - Основные параметры главного манипулятора;Fig. 1 - Main parameters of the main manipulator;

Фиг. 2 - Основные параметры узла доставки;Fig. 2 - Main parameters of the delivery node;

Фиг. 3 - Основные математические параметры исполнительного манипулятора;Fig. 3 - Basic mathematical parameters of the executive manipulator;

Фиг. 4 - Система координат видеокамеры и система координат матрицы камеры;Fig. 4 - The coordinate system of the video camera and the coordinate system of the camera matrix;

Фиг. 5 - Система координат дисплея D (XD, YD, ZD);Fig. 5 - Display coordinate system D (X D , Y D , Z D );

Фиг. 6 - Схематическое расположение основных и вспомогательных векторов главного манипулятора;Fig. 6 - Schematic arrangement of the main and auxiliary vectors of the main manipulator;

Фиг. 7 - Основные параметры концевого эффектора хирургического инструмента;Fig. 7 - Main parameters of the end effector of the surgical instrument;

Фиг. 8 - Вид на плоскость П1;Fig. 8 - View of the plane P1;

Фиг. 9 - Вид на плоскость П2;Fig. 9 - View of the plane P2;

Фиг. 10 - Схематическое расположение векторов главного манипулятора;Fig. 10 - Schematic arrangement of vectors of the main manipulator;

Фиг. 11 - Блок-схема расчета смещения deltaRot.Fig. 11 - Flowchart for calculating deltaRot bias.

Описание осуществления изобретенияDescription of the invention

Изобретение относится к способу управления роботохирургическим комплексом для осуществления хирургической операции.The invention relates to a method for controlling a robotic surgical complex for performing a surgical operation.

При этом роботохирургический комплекс включает в себя консоль хирурга, снабженную главным манипулятором с управляющей рукоятью; узел доставки, снабженный исполнительными манипуляторами, на которых закрепляются хирургический инструмент и видеокамера для обзора операционного поля; дисплей, на который передается изображение с видеокамеры; локальные контроллеры, связанные с энкодерами сервоприводов в системах главного и исполнительного манипуляторов, обеспечивающие обработку данных и направление данных с исполнительного манипулятора на главный манипулятор и управляющих сигналов от главного манипулятора на исполнительный манипулятор; систему автоматического управления, которая связана с контроллерами управления и исполнительными манипуляторами.At the same time, the robotic surgical complex includes a surgeon's console, equipped with a main manipulator with a control handle; a delivery unit equipped with executive manipulators, on which a surgical instrument and a video camera are fixed to view the surgical field; display to which the image from the video camera is transmitted; local controllers associated with servo encoders in the systems of the main and executive manipulators, providing data processing and sending data from the executive manipulator to the main manipulator and control signals from the main manipulator to the executive manipulator; automatic control system, which is connected with control controllers and executive manipulators.

Компоненты роботохирургического комплекса, а именно, дисплей, главный манипулятор, фланец исполнительного манипулятора, узел доставки, включающий исполнительный манипулятор, а также хирургический инструмент и видеокамера, установленные на исполнительных манипуляторах характеризуются следующими системами координат:The components of the robotic surgical complex, namely, the display, the main manipulator, the flange of the executive manipulator, the delivery unit, including the executive manipulator, as well as the surgical instrument and the video camera installed on the executive manipulators, are characterized by the following coordinate systems:

1) Подвижная система координат t главного манипулятора (Xt, Yt, Zt) и неподвижная система координат N главного манипулятора (XN, YN, ZN)1) Movable coordinate system t of the main manipulator (Xt, Yt, Zt) and fixed coordinate system N of the main manipulator (X N , Y N , Z N )

Главный манипулятор (Фиг. 1) представляет собой планетарно-рычажный механизм и включает в себя рычаги AB, BC и COj, длины которых, соответственно, составляют L1, L2, L3, и управляющую рукоять, образующую планетарную систему, выполненную в виде трех дуг окружностей с общим центром в точке pOj с возможностью вращения относительно рычагов главного манипулятора, направление и положение которой определяются с помощью вектора myV и точки pOj.The main manipulator (Fig. 1) is a planetary-lever mechanism and includes levers AB, BC and COj, the lengths of which, respectively, are L1, L2, L3, and a control handle that forms a planetary system made in the form of three arcs of circles with a common center at the point pOj with the possibility of rotation relative to the levers of the main manipulator, the direction and position of which are determined using the vector myV and the point pOj.

Начало неподвижной системы координат N главного манипулятора (XN, YN, ZN) соответствует точке О (совпадает с точкой А), в которой осуществляется крепление рычага АB к шкиву главного манипулятора. Система координат N главного манипулятора (XN, YN, ZN) неподвижна и связана с землей, при этом ось XN направлена слева направо, ось YN направлена вертикально вниз, а ось ZN направлена перпендикулярно осям XN и YN от хирурга вперед.The origin of the fixed coordinate system N of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) corresponds to point O (coincides with point A), where the lever AB is attached to the pulley of the main manipulator. The coordinate system N of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) is fixed and connected to the ground, while the XN axis is directed from left to right, the YN axis is directed vertically down, and the ZN axis is directed perpendicular to the XN and YN axes from the surgeon forward.

Система координат (Xt, Yt, Zt) связана с коленами COj и BC и подвижна относительно земли. Начало подвижной системы координат t главного манипулятора (Xt, Yt, Zt) соответствует точке Oj. При этом рычаг COj жестко прикреплен к рычагу BC так, что рычаги BC и COj образуют прямой угол.The coordinate system (Xt, Yt, Zt) is connected to the knees COj and BC and is mobile relative to the ground. The origin of the moving coordinate system t of the main manipulator (Xt, Yt, Zt) corresponds to the point Oj. The lever COj is rigidly attached to the lever BC so that the levers BC and COj form a right angle.

Оси системы координат (Xt,Yt,Zt) расположены следующим образом: ось Yt направлена вдоль вектора OjС сверху вниз, ось Zt сонаправлена колену CB (от хирурга), а ось Xt направлена горизонтально слева направо и перпендикулярно осям Zt и Yt.The axes of the coordinate system (Xt,Yt,Zt) are arranged as follows: the Yt axis is directed along the vector OjС from top to bottom, the Zt axis is aligned with the knee CB (from the surgeon), and the Xt axis is directed horizontally from left to right and perpendicular to the Zt and Yt axes.

2) Система координат узла доставки (XG, YG, ZG)2) Delivery node coordinate system (X G , Y G , Z G )

Со стойкой узла доставки (Фиг. 2) связывают глобальную систему координат (XG, YG, ZG), в которой ось YG направлена вдоль стойки вертикально вниз, ось XG - слева на право, а ось ZG - вглубь и перпендикулярно осям YG и XG.A global coordinate system (X G , Y G , Z G ) is associated with the rack of the delivery node (Fig. 2), in which the Y G axis is directed vertically down along the rack, the X G axis is from left to right, and the Z G axis is inward and perpendicular to the axes Y G and X G .

Начало системы координат располагается в плоскости верхнего сечения стойки в точке Osh.The origin of the coordinate system is located in the plane of the upper section of the rack at the point Osh.

3) Вспомогательная система координат фланца исполнительного манипулятора (iAT, kSym, nSym)3) Auxiliary coordinate system of the arm flange (iAT, kSym, nSym)

Начало вспомогательной системы координат (Фиг. 3) фланца исполнительного манипулятора (jAT, kSym, nSym) соответствует точке С1 (соответствует точке pA).The origin of the auxiliary coordinate system (Fig. 3) of the executive manipulator flange (jAT, kSym, nSym) corresponds to point C1 (corresponds to point pA).

4) Система координат хирургического инструмента (iXM, jYM, kZM)4) Surgical instrument coordinate system (iXM, jYM, kZM)

Начало системы координат хирургического инструмента (iXM, jYM, kZM), устанавливаемого на исполнительном манипуляторе, соответствует точке pD0, при этом ось kZM направлена вдоль хирургического инструмента, оси jYM и iXM направлены под углами к оси kZM (Фиг. 3).The origin of the coordinate system of the surgical instrument (iXM, jYM, kZM) mounted on the executive manipulator corresponds to the pD0 point, while the kZM axis is directed along the surgical instrument, the jYM and iXM axes are directed at angles to the kZM axis (Fig. 3).

5) Система координат видеокамеры Cam (Xcam, Ycam, Zcam)5) Camera coordinate system Cam (Xcam, Ycam, Zcam)

Точка начала системы координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) находится в точке троакара видеокамеры pTrC (Фиг. 4), соответствующей точке троакара pTr, указанной на Фиг. 3. При этом на оси Zcam также находится система координат матрицы видеокамеры (Xr, Yr, Zr), начало координат которой определяет нахождение центрального пикселя матрицы видеокамеры. Расстояние между центральным пикселем видеокамеры и точкой троакара видеокамеры задается параметром LTrD0C. Координатные оси видеокамеры (Xr, Yr) коллинеарны соответствующим осям системы координат видеокамеры (Xcam, Ycam).The origin point of the camera coordinate system (Xcam, Ycam, Zcam) is at the point of the trocar of the video camera pTrC (FIG. 4) corresponding to the point of the trocar pTr indicated in FIG. 3. At the same time, the coordinate system of the camera matrix (Xr, Yr, Zr) is also located on the Zcam axis, the origin of which determines the location of the central pixel of the camera matrix. The distance between the central pixel of the video camera and the point of the trocar of the video camera is set by the parameter LTrD0C. The video camera coordinate axes (Xr, Yr) are collinear to the corresponding axes of the video camera coordinate system (Xcam, Ycam).

6) Система координат дисплея D (XD, YD, ZD)6) Display coordinate system D (X D , Y D , Z D )

В общем случае взор (голова) хирурга находится в системе координат дисплея D (XD, YD, ZD), связанной с дисплеем, которая повернута на угол aD вокруг оси XN системы координат N главного манипулятора (XN, YN, ZN) (Фиг. 5). Начало системы координат дисплея D (XD, YD, ZD),располагается в т.А, которая совпадает с т.О - началом системы координат главного манипулятора (XN, YN, ZN).In general, the surgeon's gaze (head) is in the display coordinate system D (X D , Y D , Z D ) associated with the display, which is rotated by an angle aD around the X N axis of the N coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) (Fig. 5). The origin of the display coordinate system D (X D , Y D , Z D ) is located at point A, which coincides with point O - the origin of the coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ).

Система координат дисплея D (XD, YD, ZD), и система координат камеры Cam (Xcam, Ycam, Zcam) - аналогичные системы координат, располагаемые в центральном пикселе видеокамеры.The display coordinate system D (X D , Y D , Z D ), and the camera coordinate system Cam (Xcam, Ycam, Zcam) are similar coordinate systems located in the central pixel of the video camera.

На каждом этапе способа управления роботохирургическим комплексом осуществляется непрерывное измерение угловых положений и координат точек и векторов главного и исполнительного манипулятора, посредством энкодеров, установленных на сервоприводах в системах главного и исполнительного манипуляторов. При этом для определения положения хирургического инструмента используют указанные выше системы координат компонентов роботохирургического комплекса.At each stage of the method for controlling the robotic surgical complex, the angular positions and coordinates of points and vectors of the main and executive manipulator are continuously measured by means of encoders installed on servo drives in the systems of the main and executive manipulators. In this case, to determine the position of the surgical instrument, the above coordinate systems of the components of the robotic surgical complex are used.

Способ управления роботохирургическим комплексом включает в себя:The method for controlling the robotic surgical complex includes:

1. Подведение оператором хирургического инструмента, закрепленного на исполнительном манипуляторе, к троакару1. Bringing by the operator of the surgical instrument fixed on the executive manipulator to the trocar

Оператор с помощью системы позиционирования подводит хирургический инструмент, закрепленный на исполнительном манипуляторе, к троакару. После чего осуществляется введение хирургического инструмента в троакар.The operator, using the positioning system, brings the surgical instrument fixed on the executive manipulator to the trocar. Then the surgical instrument is inserted into the trocar.

2. Фиксирование точки троакара2. Fixing the trocar point

После фиксации осей узла доставки, определяется положение точки троакара в глобальной системе координат (XG, YG, ZG). После того как хирургический инструмент введен в троакар, определяются оси системы координат, связанной с хирургическим инструментом (iXM, jYM, kZM) в глобальной системе координат (XG, YG, ZG). В том числе определяется и система координат, связанная с видеокамерой (Xcam, Ycam, Zcam).After fixing the axes of the delivery node, the position of the trocar point in the global coordinate system (X G , Y G , Z G ) is determined. After the surgical instrument is inserted into the trocar, the axes of the coordinate system associated with the surgical instrument (iXM, jYM, kZM) in the global coordinate system (X G , Y G , Z G ) are determined. This includes the coordinate system associated with the video camera (Xcam, Ycam, Zcam).

Далее, после определения всех указанных выше систем координат компонентов роботохирургического комплекса и фиксирования точки троакара осуществляется определение координат и углов поворотов колен узла доставки, координат исполнительных манипуляторов с видеокамерой и исполнительных манипуляторов с хирургическим инструментом, установленных на узле доставки, а также координат центрального пикселя матрицы видеокамеры и координат конца штока хирургического инструмента, с последующим согласованием указанных выше систем координат друг с другом.Further, after determining all the above coordinate systems of the components of the robotic surgical complex and fixing the trocar point, the coordinates and angles of rotation of the knees of the delivery unit, the coordinates of the executive manipulators with a video camera and the executive manipulators with a surgical instrument installed on the delivery unit, as well as the coordinates of the central pixel of the video camera matrix, are determined. and coordinates of the end of the rod of the surgical instrument, with subsequent coordination of the above coordinate systems with each other.

3. Определение базовых точек и векторов узла доставки и согласование систем координат в статичном режиме3. Determination of base points and vectors of the delivery node and coordination of coordinate systems in static mode

3.1. Определение координат и углов поворота колен узла доставки в системе координат узла доставки (XG, YG, ZG)3.1. Determining the coordinates and angles of rotation of the knees of the delivery node in the coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G )

Роботохирургический комплекс содержит 4 узла доставки, на каждом из которых установлен манипулятор, при этом узел доставки (Фиг. 2) включает в себя первое колено A0A1, второе колено B0B1, третье (наклонное) колено С0С1.The robotic surgical complex contains 4 delivery nodes, each of which has a manipulator, while the delivery node (Fig. 2) includes the first knee A0A1, the second knee B0B1, the third (inclined) knee C0C1.

Каждый из узлов доставки, установленных на стойке пациента (Фиг. 2), имеет три вертикальных оси вращения с энкодерами (OiA0, A1B0 и B1C0), регистрирующими и фиксирующими угол поворота каждого колена A0A1, B0B1 и С0С1 узла доставки по отношению к предыдущему колену. Кроме того, для каждого узла доставки имеется свой двигатель, который перемещает узел доставки целиком вместе с манипулятором в вертикальном направлении, меняя его высоту или координату yOi точки основания Oi.Each of the delivery units mounted on the patient stand (Fig. 2) has three vertical axes of rotation with encoders (OiA0, A1B0 and B1C0) registering and fixing the angle of rotation of each knee A0A1, B0B1 and C0C1 of the delivery unit with respect to the previous knee. In addition, each delivery unit has its own motor, which moves the entire delivery unit together with the manipulator in the vertical direction, changing its height or the coordinate yOi of the base point Oi.

Для каждого манипулятора обозначим ось первого колена - OiA0, ось второго колена - A1B0 и ось третьего колена - B1C0. При этом точка основания узла доставки Oi имеет координаты {xOi, yOi, zOi}, где xOi, zOi - константы, yOi - переменная величина.For each manipulator, let's designate the axis of the first knee - OiA0, the axis of the second knee - A1B0 and the axis of the third knee - B1C0. In this case, the base point of the delivery node Oi has coordinates {xOi, yOi, zOi}, where xOi, zOi are constants, yOi is a variable.

На торце (плоскость, проходяшая через точку C1 перпендикулярно оси C0C1) закреплен еще один энкодер, относящийся к самому манипулятору. Этот энкодер меняет свои значения в процессе хирургической операции.At the end (the plane passing through the point C1 perpendicular to the axis C0C1) there is another encoder attached to the manipulator itself. This encoder changes its values during a surgical operation.

Согласно конструкции узла доставки (фиг.2) точка pA0 располагается выше точки Oi (по отрицательному направлению оси YG в глобальной системе координат узла доставки поэтому, координаты основных точек узла доставки вычисляют следующим образом (Формулы 1-5):According to the design of the delivery node (figure 2), the point pA0 is located above the point Oi (along the negative direction of the Y G axis in the global coordinate system of the delivery node, therefore, the coordinates of the main points of the delivery node are calculated as follows (Formulas 1-5):

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

где pA0 - константа,where pA0 is a constant,

LD1 - длина первого колена A0A1 (константа),LD1 - length of the first leg A0A1 (constant),

LD2 - длина второго колена B0B1 (константа),LD2 - length of the second leg B0B1 (constant),

alf1 - угол поворота первого колена A0A1 относительно стойки пациента,alf1 - angle of rotation of the first knee A0A1 relative to the patient's stand,

alf2 - угол поворота второго колена B0B1 относительно первого колена A0A1,alf2 - angle of rotation of the second leg B0B1 relative to the first leg A0A1,

dh1 - подъем (высота) первого колена OiA0 (константа);dh1 - rise (height) of the first knee OiA0 (constant);

dh2 - подъем (высота) второго колена B0B1,dh2 - rise (height) of the second knee B0B1,

dh3 - подъем (высота) третьего колена С0С1,dh3 - rise (height) of the third knee С0С1,

xOi, zOi - константы, yOi - переменная величина.xOi, zOi - constants, yOi - variable.

Угол поворота третьего колена С0С1 относительно стойки alf4 определяют как сумму углов:The angle of rotation of the third knee С0С1 relative to the rack alf4 is determined as the sum of the angles:

Figure 00000006
Figure 00000006

где alf3 - угол поворота третьего колена С0С1 относительно второго колена B0B1.where alf3 is the angle of rotation of the third knee С0С1 relative to the second knee B0B1.

Далее находят координаты векторов фланца исполнительного манипулятора (jATG, nSymG и kSymG) с видеокамерой и с хирургическим инструментом, принадлежащих системе координат фланца исполнительного манипулятора (jAT, kSym, nSym) в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) и в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG), соответственно. При этом исполнительный манипулятор закрепляется на узле доставки в точке С1 (Фиг. 2), соответствующей точке pA фланца исполнительного манипулятора (Фиг. 3).Next, find the coordinates of the flange vectors of the executive manipulator (jATG, nSymG and kSymG) with a video camera and with a surgical instrument belonging to the coordinate system of the executive manipulator flange (jAT, kSym, nSym) in the coordinate system of the video camera (Xcam, Ycam, Zcam) and in the global coordinate system delivery node (X G , Y G , Z G ), respectively. In this case, the executive manipulator is fixed on the delivery unit at point C1 (Fig. 2), corresponding to the point pA of the flange of the executive manipulator (Fig. 3).

3.2. Определение координат векторов фланца исполнительного манипулятора в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG) для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и в системе координат камеры (Xcam, Ycam, Zcam) для исполнительного манипулятора с видеокамерой3.2. Determining the coordinates of the executive arm flange vectors in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ) for the executive arm with a surgical instrument and in the camera coordinate system (Xcam, Y cam , Zcam) for the executive arm with a video camera

Для того чтобы различать имена переменных для исполнительного манипулятора с видеокамерой и для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом в конце каждой переменной добавляют соответствующий суффикс:In order to distinguish between the names of variables for the executive manipulator with a video camera and for the executive manipulator with a surgical instrument, a corresponding suffix is added to the end of each variable:

• для исполнительного манипулятора с видеокамерой - литеру С;• for an executive manipulator with a video camera - the letter C;

• для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом - литеру М;• for an executive manipulator with a surgical instrument - the letter M;

Таким образом вектора jATMG, nSymMG, kSymMG и jATСG, nSymСG, kSymСG обозначают вектора jATG, nSymG и kSymG (Фиг. 3) в системе координат исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и исполнительного манипулятора с видеокамерой, соответственно.Thus, the jATMG, nSymMG, kSymMG and jATСG, nSymСG, kSymСG vectors denote the jATG, nSymG and kSymG vectors (Fig. 3) in the coordinate system of the operating manipulator with a surgical instrument and the executive manipulator with a video camera, respectively.

Координаты векторов jATMG, nSymMG и kSymMG исполнительного манипулятора с инструментом (Фиг. 3) определяют путем согласования вспомогательной системы координат фланца исполнительного манипулятора (jAT, kSym, nSym) с глобальной системой координат узла доставки (XG, YG, ZG).The coordinates of vectors jATMG, nSymMG and kSymMG of the executive arm with the tool (Fig. 3) are determined by matching the auxiliary coordinate system of the executive arm flange (jAT, kSym, nSym) with the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ).

Координаты вектора jATMG вдоль виртуальной оси манипулятора в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG) вычисляют следующим образом:The coordinates of the jATMG vector along the virtual axis of the manipulator in the global coordinate system of the delivery node (XG, YG, ZG) are calculated as follows:

Figure 00000007
Figure 00000007

где alfHM - угол наклона третьего колена С0С1 к горизонту в системе координат манипулятора с инструментом,where alfHM is the angle of inclination of the third knee С0С1 to the horizon in the coordinate system of the manipulator with the tool,

alf4M - угол поворота третьего колена С0С1относительно стойки в системе координат манипулятора с инструментом.alf4M - angle of rotation of the third knee С0С1 relative to the rack in the coordinate system of the manipulator with the tool.

Таким же образом, аналогично Формуле (7), вычисляют координаты вектора nSymMG и kSymMG в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG):In the same way, similarly to Formula (7), the coordinates of the vector nSymMG and kSymMG are calculated in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ):

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

где вектор nSymMG представляет собой единичную нормаль к плоскости В1С0Tr исполнительного манипулятора c хирургическим инструментом, а вектор kSymMG - единичный вектор, перпендикулярный виртуальной оси, проходящей через точки C1 и pTr, и лежащий в плоскости В1С0pTr для исполнительного манипулятора c хирургическим инструментом.where the nSymMG vector is a unit normal to the В1С0Tr plane of the executive manipulator with a surgical instrument, and the kSymMG vector is a unit vector perpendicular to the virtual axis passing through the points C1 and pTr and lying in the В1С0pTr plane for the executive manipulator with a surgical instrument.

Далее определяют координаты векторов jATСG, nSymСG и kSymСG исполнительного манипулятора с видеокамерой путем согласования вспомогательной системы координат фланца исполнительного манипулятора (jAT, kSym, nSym) с системой координат камеры (Xcam, Ycam, Zcam):Next, the coordinates of the jATСG, nSymСG and kSymСG vectors of the executive manipulator with the video camera are determined by matching the auxiliary coordinate system of the executive manipulator flange (jAT, kSym, nSym) with the camera coordinate system (X cam , Y cam , Z cam ):

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

где alfHC - угол наклона третьего колена С0С1 к горизонту в системе координат манипулятора с камерой,where alfHC is the angle of inclination of the third leg С0С1 to the horizon in the coordinate system of the manipulator with the camera,

alf4C - угол поворота третьего колена С0С1относительно стойки в системе координат манипулятора с камерой.alf4C - angle of rotation of the third knee С0С1 relative to the stand in the coordinate system of the manipulator with the camera.

В данной системе координат видеокамеры вектор nSymMG представляет собой единичную нормаль к плоскости В1С0Tr исполнительного манипулятора c видеокамерой, а вектор kSymMG - единичный вектор, перпендикулярный виртуальной оси и лежащий в плоскости В1С0Tr для исполнительного манипулятора c видеокамерой.In this camera coordinate system, the nSymMG vector is a unit normal to the В1С0Tr plane of the executive manipulator with a video camera, and the kSymMG vector is a unit vector perpendicular to the virtual axis and lying in the В1С0Tr plane for the executive manipulator with a video camera.

Затем вычисляют точку центра фланца для крепления исполнительного манипулятора c хирургическим инструментом pC1M и исполнительного манипулятора c видеокамерой pC1C:Then the flange center point is calculated for fastening the executive manipulator with the pC1M surgical instrument and the executive manipulator with the pC1C video camera:

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

где pC1M и pC1C - координаты точки С1 в системе координат исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и в системе координат исполнительного манипулятора с видеокамерой, соответственно;where pC1M and pC1C are the coordinates of the point C1 in the coordinate system of the executive manipulator with a surgical instrument and in the coordinate system of the executive manipulator with a video camera, respectively;

pC0M и pC0C - координаты точки С0 в системе координат исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и в системе координат исполнительного манипулятора с видеокамерой, соответственно;pC0M and pC0C - coordinates of point С0 in the coordinate system of the executive manipulator with the surgical instrument and in the coordinate system of the executive manipulator with the video camera, respectively;

LD3 - длина третьего колена С0С1.LD3 - the length of the third knee С0С1.

Затем находят координаты точек троакара pTr для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом (pTrМ) и для исполнительного манипулятора с видеокамерой (pTrС) в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG).Then the coordinates of the trocar points pTr are found for the executive manipulator with a surgical instrument (pTrM) and for the executive manipulator with a video camera (pTrC) in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ).

3.3. Определение координат точки троакара pTrМ исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и точки троакара pTrС исполнительного манипулятора с видеокамерой в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG)3.3. Determining the coordinates of the pTrM trocar point of the executive manipulator with a surgical instrument and the pTrC trocar point of the executive manipulator with a video camera in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G )

Четыре свободных параметра (углы поворота колен узла доставки alf1, alf2 и alf3, а также линейное перемещение узла доставки вдоль стойки пациента) для каждого исполнительного манипулятора позволяют выбрать точку троакара pTr (Фиг. 3) произвольно, а также выбрать проекцию виртуальной оси на горизонтальную плоскость любым желаемым образом.Four free parameters (angles of rotation of the knees of the delivery unit alf1, alf2 and alf3, as well as the linear movement of the delivery unit along the patient’s stand) for each executive manipulator allow you to select the point of the trocar pTr (Fig. 3) arbitrarily, as well as choose the projection of the virtual axis on the horizontal plane in any desired way.

Точка троакара pTr - конструктивно неподвижная точка, располагающаяся в месте прокола кожи пациента, на виртуальной оси pApTr.The pTr trocar point is a structurally fixed point located at the site of the patient's skin puncture, on the pApTr virtual axis.

Угол наклона третьего колена С0С1 к горизонту имеет фиксированное значение alfH для всех исполнительных манипуляторов.The angle of inclination of the third knee С0С1 to the horizon has a fixed value alfH for all executive manipulators.

Координаты точек троакара исполнительных манипуляторов с хирургическим инструментом pTrM и видеокамерой pTrC, соответственно, в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG) определяют следующим образом:The coordinates of the trocar points of the executive manipulators with the pTrM surgical instrument and the pTrC video camera, respectively, in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ) are determined as follows:

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

где LM - Расстояние от точки С1 фланца до точки троакара pTr.where LM is the distance from the point C1 of the flange to the point of the trocar pTr.

pC1M и pC1C - точки центра фланца для крепления исполнительного манипулятора c хирургическим инструментом и исполнительного манипулятора c видеокамерой, соответственно, координаты которых определяются следующим образом:pC1M and pC1C - points of the center of the flange for fastening the executive manipulator with a surgical instrument and the executive manipulator with a video camera, respectively, the coordinates of which are determined as follows:

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

где LD3 - длина третьего колена С0С1 (константа),where LD3 is the length of the third leg С0С1 (constant),

pC0M и pC0C - координаты точки С0 манипулятора c инструментом и манипулятора c камерой, соответственно.pC0M and pC0C - coordinates of the C0 point of the manipulator with the tool and the manipulator with the camera, respectively.

jATMG и jATCG - единичные вектора вдоль виртуальной оси манипулятора с инструментом и с камерой, соответственно, коллинеарные вектору С0С1.jATMG and jATCG - unit vectors along the virtual axis of the manipulator with the tool and with the camera, respectively, collinear to the С0С1 vector.

Далее для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом находят точку троакара (pTrM) в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) - pTrMCam.Next, for the executive manipulator with a surgical instrument, a trocar point (pTrM) is found in the coordinate system of the video camera (Xcam, Ycam, Zcam) - pTrMCam.

3.4. Определение координат точки троакара pTrМ исполнительного манипулятора с инструментом в системе координат камеры (Xcam, Ycam, Zcam)3.4. Determining the coordinates of the pTrM trocar point of the executive manipulator with the instrument in the camera coordinate system (X cam , Y cam , Z cam )

За начало отсчета системы координат видеокамеры принимают неподвижную точку троакара исполнительного манипулятора с видеокамерой pTrC={0,0,0}. The fixed point of the trocar of the executive manipulator with the video camera pTrC={0,0,0} is taken as the reference point of the video camera coordinate system.

В этом случае точка троакара манипулятора с инструментом в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) рассчитывается по Формуле (19):In this case, the trocar point of the manipulator with the instrument in the video camera coordinate system (X cam , Y cam , Z cam ) is calculated by Formula (19):

Figure 00000019
Figure 00000019

где matС - матрица для перехода из системы координат видеокамеры в систему координат манипулятора, при этом определяют по Формуле (20):where matС is the matrix for transition from the video camera coordinate system to the manipulator coordinate system, and is determined by Formula (20):

Figure 00000020
Figure 00000020

где kZCG - вектор идущий вдоль штока камеры и перпендикулярный векторам iXСG и jYСG, который находят по Формуле (21):where kZCG is a vector running along the camera rod and perpendicular to the iXСG and jYСG vectors, which is found by Formula (21):

Figure 00000021
Figure 00000021

где phiC - это угол соответствующий углу вращения основной оси исполнительного манипулятора phiM (Фиг. 3), но относящийся к исполнительному манипулятору с видеокамерой.where phiC is the angle corresponding to the angle of rotation of the main axis of the executive manipulator phiM (Fig. 3), but related to the executive manipulator with a video camera.

alfTC - угол между штоком и виртуальной осью, угол alfTC лежит в интервале (Pi/20, 19 * Pi/20) в силу конструктивных ограничений, определяемый суммой углов между звеньями исполнительного манипулятора с видеокамерой αFC (аналогичен углу αFM) и Δ0C (Фиг. 3):alfTC is the angle between the rod and the virtual axis, the angle alfTC lies in the interval (Pi/20, 19 * Pi/20) due to design limitations, determined by the sum of the angles between the links of the executive manipulator with the video camera αFC (similar to the angle αFM) and Δ0C (Fig. 3):

Figure 00000022
Figure 00000022

где значение угла αFC задается непосредственно энкодером, а угол Δ0C - задается конструктивно.where the value of the angle αFC is set directly by the encoder, and the angle Δ0C is set constructively.

Вектор kZCG дополняют двумя взаимоперпендикулярными векторами {iX0CG, jY0CG}, таким образом, чтобы эта тройка векторов образовывала правую ортонормированную тройку векторов, относительно которых ведут отсчет угла поворота видеокамеры вокруг своей оси:The vector kZCG is supplemented with two mutually perpendicular vectors {iX0CG, jY0CG}, so that this triple of vectors forms a right orthonormal triple of vectors, relative to which the angle of rotation of the video camera around its axis is counted:

Figure 00000023
Figure 00000023

Figure 00000024
Figure 00000024

Далее вводят вращающуюся тройку векторов, которая будет вращаться относительно векторов {iX0CG, jY0CG}, вокруг вектора kZCG, определяя тем самым угол поворота видеокамеры вокруг оптической оси, используя значения векторов, определенных по Формуле (23) и Формуле (24), соответственно:Next, a rotating trio of vectors is introduced, which will rotate relative to the vectors {iX0CG, jY0CG}, around the vector kZCG, thereby determining the angle of rotation of the video camera around the optical axis using the values of the vectors determined by Formula (23) and Formula (24), respectively:

Figure 00000025
Figure 00000025

Figure 00000026
Figure 00000026

при этом rotC-угол считываемый непосредственное с энкодера видеокамеры.in this case, the rotC-angle is read directly from the encoder of the video camera.

Далее находят координаты центрального пикселя видеокамеры и координаты конца штока хирургического инструмента в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG).Next, the coordinates of the central pixel of the video camera and the coordinates of the end of the rod of the surgical instrument are found in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ).

3.5. Нахождение координат центрального пикселя видеокамеры и координат конца штока инструмента в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG)3.5. Finding the coordinates of the central pixel of the video camera and the coordinates of the end of the tool rod in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G )

Координаты центрального пикселя видеокамеры вычисляются по Формуле (27):The coordinates of the central pixel of the video camera are calculated by Formula (27):

Figure 00000027
Figure 00000027

Координаты конца штока инструмента определяются по Формуле (28):The tool rod end coordinates are determined by Formula (28):

Figure 00000028
Figure 00000028

где LTrD0С и LTrD0М - глубина погружения штока видеокамеры и штока хирургического инструмента, соответственно, в тело человека. Данные значения представляют собой переменные величины, считываемые непосредственно с энкодера линейного перемещения исполнительного манипулятора.where LTrD0С and LTrD0М are the depth of immersion of the video camera rod and the surgical instrument rod, respectively, into the human body. These values are variables read directly from the linear encoder of the actuator.

kZСG - координаты единичного вектора вдоль штока камеры в глобальной системе координат (XG, YG, ZG), вычисляется в п.3.4.kZСG - coordinates of the unit vector along the camera rod in the global coordinate system (X G , Y G , Z G ), calculated in section 3.4.

kZMG - координаты единичного вектора вдоль штока инструмента в глобальной системе координат (XG, YG, ZG)kZMG - coordinates of the unit vector along the tool stem in the global coordinate system (X G , Y G , Z G )

Figure 00000029
Figure 00000029

где, Normalize - оператор нормализации вектора.where, Normalize is the vector normalization operator.

После определения координат колен узла доставки, координат исполнительных манипуляторов с видеокамерой и хирургическим инструментом, а также координат центрального пикселя матрицы видеокамеры и координат конца штока хирургического инструмента, роботохирургический комплекс готов к рабочему режиму, в котором осуществляется управление хирургическим инструментом, установленным на исполнительном манипуляторе с помощью управляющей рукояти, закрепленной на главном манипуляторе.After determining the coordinates of the knees of the delivery unit, the coordinates of the executive manipulators with the video camera and the surgical instrument, as well as the coordinates of the central pixel of the video camera matrix and the coordinates of the end of the surgical instrument rod, the robotic surgical complex is ready for the operating mode, in which the surgical instrument installed on the executive manipulator is controlled using control handle attached to the main manipulator.

4. Рабочий режим4. Working mode

Оператор, находясь за консолью хирурга, осуществляет управление хирургическим инструментом, закрепленным на исполнительном манипуляторе (Фиг. 3).The operator, being at the console of the surgeon, controls the surgical instrument attached to the executive manipulator (Fig. 3).

Оператор может осуществлять перемещение хирургического инструмента следующим образом:The operator can move the surgical instrument as follows:

поворот лепестков управляющей рукояти (угол rotp),turning the petals of the control handle (angle rotp),

перемещение управляющей рукояти в целом посредством поворота вокруг оси СOj (угол a1P),movement of the control handle as a whole by turning around the COj axis (angle a1P),

сжатие-разжатие лепестков управляющей рукояти,compression-unclenching of the petals of the control handle,

поворот главного манипулятора, на котором закреплена управляющая рукоять, в целом вокруг вертикальной оси YN (угол a1J),rotation of the main manipulator, on which the control handle is fixed, as a whole around the vertical axis YN (angle a1J),

перемещение рычагов АВ (угол a1L) и ВС (угол a2L) вверх-вниз относительно оси Yn (Фиг. 1).moving the levers AB (angle a1L) and BC (angle a2L) up and down relative to the Yn axis (Fig. 1).

При этом осуществляется строго синхронное преобразование перемещения управляющей рукояти, установленной на главном манипуляторе, в перемещение хирургического инструмента, закрепленного на исполнительном манипуляторе. За счет использования цифровой обработки данных по настоящему способу, снимаемых с энкодеров, установленных на серводвигателях манипуляторов, осуществляется преобразование по определенному математическому алгоритму, описываемому ниже и позволяющему обеспечить интуитивность управления.In this case, a strictly synchronous transformation of the movement of the control handle mounted on the main manipulator into the movement of a surgical instrument fixed on the executive manipulator is carried out. Due to the use of digital processing of data according to the present method, taken from encoders installed on the servo motors of the manipulators, the transformation is carried out according to a certain mathematical algorithm, which is described below and allows for intuitive control.

4.1. Расчет основных точек и векторов главного манипулятора4.1. Calculation of main points and vectors of the main manipulator

4.1.1 Измерение отклонения расположения точки pOj в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN)4.1.1 Measurement of the deviation of the location of the point pO j in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N )

Перемещение оператором управляющей рукояти, закрепленной на главном манипуляторе (Фиг. 1) приводит к отклонению точки pOj в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN). Указанное отклонение непрерывно фиксируется энкодером, преобразовывается в цифровой сигнал и передается в цифровой блок обработки. Координаты точки pOj в системе координат N главного манипулятора (XN, YN, ZN), исходя из показаний энкодеров, вычисляются следующим образом:Movement by the operator of the control stick fixed on the main manipulator (Fig. 1) leads to the deviation of the point pOj in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ). The specified deviation is continuously recorded by the encoder, converted into a digital signal and transmitted to the digital processing unit. The coordinates of the point pOj in the N coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ), based on the readings of the encoders, are calculated as follows:

Задается точка начала координат в системе координат N - pAN={0,0,0}, тогда координаты точек В, С и Oj в системе координат N главного манипулятора (XN, YN, ZN) вычисляются по Формулам (30-32):The origin point is set in the N coordinate system - pAN={0,0,0}, then the coordinates of points В, С and Oj in the N coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) are calculated by Formulas (30-32 ):

Figure 00000030
Figure 00000030

Figure 00000031
Figure 00000031

Figure 00000032
Figure 00000032

где L1 - Длина рычага AB главного манипулятора;where L1 - The length of the lever AB of the main manipulator;

L2 - Длина рычага BC главного манипулятора;L2 - Length of arm BC of the main manipulator;

L3 - Длина рычага COj главного манипулятора;L3 - Lever length COj of the main manipulator;

a1L - угол между осью YN и рычагом AB;a1L - angle between Y-axis N and lever AB;

a2L - угол между осью YN и рычагом CB;.a2L - angle between Y-axis N and lever CB;.

a1J - угол поворота главного манипулятора вокруг вертикальной оси YN.a1J - angle of rotation of the main manipulator around the vertical axis Y N .

4.1.2 Определение вектора MyV в подвижной системе координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt) и в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN)4.1.2 Definition of the vector MyV in the moving coordinate system of the main manipulator (Xt, Yt, Zt) and in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N )

При перемещении оператором управляющей рукояти, закрепленной на главном манипуляторе (Фиг. 1), помимо изменения координат точки pOj в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN), также меняются координаты вектора myV (Фиг. 1, Фиг. 6), который задает направление оси на главном манипуляторе, вокруг которой вращаются лепестки управляющей рукояти, управляемые пальцами хирурга и предназначенные для поворота штока хирургического инструмента вокруг своей оси и раскрытия-закрытия бранш (представляющих собой зажимы, ножницы или иглодержатели) концевого эффектора хирургического инструмента в нужной плоскости.When the operator moves the control stick fixed on the main manipulator (Fig. 1), in addition to changing the coordinates of the point pOj in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ), the coordinates of the vector myV also change (Fig. 1, Fig. 6), which sets the direction of the axis on the main manipulator, around which the petals of the control handle rotate, controlled by the surgeon's fingers and designed to rotate the stem of the surgical instrument around its axis and open and close the branches (which are clamps, scissors or needle holders) of the end effector of the surgical instrument in desired plane.

Вектор myV имеет следующие координаты: {tan(alfXV), tan(alfYV), 1} относительно земли (z-координата нормирована на 1 для удобства вычислений и краткости записи), где alfXV - угол между вертикальной плоскостью, содержащей вектор myV, и вертикальной плоскостью YNZN, причем если alfXV>0, то X-координата вектора myV положительна (Фиг. 6);The vector myV has the following coordinates: {tan(alfXV), tan(alfYV), 1} relative to the ground (the z-coordinate is normalized to 1 for ease of calculation and brevity), where alfXV is the angle between the vertical plane containing the vector myV and the vertical plane YNZN, and if alfXV>0, then the X-coordinate of the vector myV is positive (Fig. 6);

alfYV - угол между горизонтальной плоскостью, содержащей вектор myV, и горизонтальной плоскостью XNZN, причем если alfYV>0, то Y-координата вектора myV положительна (Фиг. 6).alfYV is the angle between the horizontal plane containing the vector myV and the horizontal plane XNZN, and if alfYV>0, then the Y-coordinate of the vector myV is positive (Fig. 6).

При вертикальном перемещении управляющей рукояти и соответственно конца вектора myV (то есть когда угол alfYV меняется, а угол alfXV остается неизменным), первое колено pD0pBra концевого эффектора хирургического инструмента (Фиг. 7) движется в некоторой фиксированной плоскости П1 (Фиг. 8), проходящей через шток хирургического инструмента и точку pD0 на концевом эффектора хирургического инструмента, причем плоскость П1 задается углом поворота лепестков управляющей рукоятки, установленной на главном манипуляторе, вокруг вектора myV (иными словами, вращению лепестков управляющей рукоятки вокруг оси, идущей вдоль вектора myV, соответствует вращение плоскости П1 вокруг штока хирургического инструмента). With vertical movement of the control handle and, accordingly, the end of the vector myV (that is, when the angle alfYV changes, and the angle alfXV remains unchanged), the first knee pD0pBra of the end effector of the surgical instrument (Fig. 7) moves in some fixed plane P1 (Fig. 8) passing through the rod of the surgical instrument and the point pD0 on the end effector of the surgical instrument, and the plane P1 is set by the angle of rotation of the petals of the control handle mounted on the main manipulator around the vector myV (in other words, the rotation of the petals of the control handle around the axis running along the vector myV corresponds to the rotation of the plane P1 around the stem of the surgical instrument).

Если управляющая рукоять и, соответственно, вектор myV перемещается в горизонтальной плоскости (то есть угол alfXV меняется, а угол alfYV остается неизменным), то бранши второго колена концевого эффектора движутся в плоскости П2, перпендикулярной П1, вращаясь вокруг оси второго колена браншей, перпендикулярной плоскости П2 и первому колену концевого эффектора (Фиг. 9).If the control handle and, accordingly, the vector myV moves in the horizontal plane (that is, the angle alfXV changes, and the angle alfYV remains unchanged), then the jaws of the second knee of the end effector move in the plane P2, perpendicular to P1, rotating around the axis of the second knee of the jaws, perpendicular to the plane P2 and the first knee of the end effector (Fig. 9).

При перемещении управляющей рукояти определяют координаты вектора myV в подвижной системе координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt), в которой вектор myV обозначается как вектор myVT с координатами {xtv,ytv,ztv}:When moving the control stick, the coordinates of the vector myV are determined in the moving coordinate system of the main manipulator (Xt, Yt, Zt), in which the vector myV is designated as the vector myVT with coordinates {xtv,ytv,ztv}:

Figure 00000033
Figure 00000033

Figure 00000034
Figure 00000034

Figure 00000035
Figure 00000035

где a1P - угол поворота планетарной системы вокруг оси COj, причем a1P=0 означает, что вектор myV лежит в плоскости ABCOj;where a1P is the angle of rotation of the planetary system around the axis COj, and a1P=0 means that the vector myV lies in the plane ABCOj;

a2P - угол поворота вектора myV в плоскости YTZT;a2P - angle of rotation of the vector myV in the YTZT plane;

Знак минус указывает на следующее соглашение: если конец вектора myV расположен над плоскостью Xt Zt, то угол a2p>0, то есть поворот велся против часовой стрелки, если смотреть с конца оси Xt.The minus sign indicates the following convention: if the end of the vector myV is located above the plane Xt Zt, then the angle a2p>0, that is, the rotation was counterclockwise, when viewed from the end of the Xt axis.

Далее определяют координаты единичного вектора myV в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN), связанной с землей, в которой вектор myV обозначается как вектор myVN:Next, the coordinates of the unit vector myV are determined in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) associated with the ground, in which the vector myV is denoted as the vector myVN:

Figure 00000036
Figure 00000036

где знак «∙» обозначает скалярное произведение единичного вектора myVt вдоль главной оси подвижной системы координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt), перпендикулярный векторам myV и рычагу COj, а MT - матрица перехода из подвижной системы координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt) с началом координат в точке Oj в неподвижную систему координат главного манипулятора (XN, YN, ZN), определяемая по Формуле (37):where the sign "∙" denotes the scalar product of the unit vector myVt along the main axis of the moving coordinate system of the main manipulator (Xt, Yt, Zt), perpendicular to the vectors myV and the lever COj, and MT is the transition matrix from the moving coordinate system of the main manipulator (Xt, Yt, Zt) with the origin at the point Oj into the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) determined by Formula (37):

Figure 00000037
Figure 00000037

где координатные орты itN оси XT, jtN оси YT и ktN оси ZT в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN) находят следующим образом:where the coordinate orts itN of the X T axis, jtN of the Y T axis and ktN of the Z T axis in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) are found as follows:

Figure 00000038
Figure 00000038

Figure 00000039
Figure 00000039

Figure 00000040
Figure 00000040

при этом а1J - угол поворота управляющей рукояти вокруг вертикальной оси YN (при a1J=0 управляющая рукоять лежит в плоскости перпендикулярной дисплею);while a1J is the angle of rotation of the control handle around the vertical axis Y N (when a1J=0, the control handle lies in a plane perpendicular to the display);

а1L - угол между осью YN и рычагом AB;a1L - the angle between the Y axis N and the lever AB;

а2L - угол между осью YN и рычагом CB;a2L is the angle between the YN axis and the lever CB;

Таким образом, вектора myVN и myVT - координаты одного и того же вектора myV в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN) и подвижной системе координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt), соответственно.Thus, the vectors myVN and myVT are the coordinates of the same vector myV in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) and the moving coordinate system of the main manipulator (Xt, Yt, Zt), respectively.

4.1.3. Измерение отклонения расположения точки pOj и вектора MyV в системе координат дисплея (XD, YD, ZD)4.1.3. Measuring the deviation of the position of the point pO j and the vector MyV in the display coordinate system (X D , Y D , Z D )

Затем координаты точки pOj и вектора myV определяют в неподвижной системе координат D (XD, YD, ZD), связанной с дисплеем хирурга, в которой вектор myV обозначается как вектор myVD, при этомThen the coordinates of the point pOjand the vectors myV are defined in the fixed coordinate system D (XD, YD, ZD) associated with the surgeon's display, in which the vector myV is designated as the vector myVD, while

Figure 00000041
Figure 00000041

где MD - матрица преобразования перехода из неподвижной системы координат главного манипулятора (XN, YN, ZN) в систему координат дисплея (XD, YD, ZD), в которой находится взор (голова) хирурга, определяемая следующим образом:where MD is the transformation matrix of the transition from the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) to the display coordinate system (X D , Y D , Z D ) in which the surgeon's gaze (head) is located, defined as follows:

Figure 00000042
Figure 00000042

где aD - угол поворота системы координат дисплея (XD, YD, ZD) вокруг оси XN неподвижной системы координат главного манипулятора (XN, YN, ZN) (Фиг. 5).where aD is the angle of rotation of the display coordinate system (X D , Y D , Z D ) around the X N axis of the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) (Fig. 5).

Координаты точки pOj в системе координат дисплея (XD, YD, ZD) определяют путем перемножения координат точки pOjN, найденных по Формуле (32), на матрицы преобразования MD:The coordinates of the point pOj in the display coordinate system (X D , Y D , Z D ) are determined by multiplying the coordinates of the point pOjN found by Formula (32) by the transformation matrices MD:

Figure 00000043
Figure 00000043

4.1.4 Определение координат вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN)4.1.4 Determining the coordinates of the normal vector WN to the opening plane of the jaws of the surgical instrument in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N )

Вектор W (Фиг. 10) главного манипулятора представляет собой вектор, перпендикулярный вектору myV и плоскости раскрытия лепестков управляющей рукояти главного манипулятора. Плоскость раскрытия лепестков управляющей рукояти соответствует плоскости раскрытия браншей хирургического инструмента, которая имеет название плоскости реза. Перпендикуляр (нормаль) к плоскости реза на браншах хиругического инструмента соответствует вектору W управляющей рукояти главного манипулятора (Фиг. 8)/The vector W (Fig. 10) of the main manipulator is a vector perpendicular to the vector myV and the plane of opening of the petals of the control handle of the main manipulator. The opening plane of the blades of the control handle corresponds to the opening plane of the jaws of the surgical instrument, which is called the cutting plane. The perpendicular (normal) to the cutting plane on the jaws of the surgical instrument corresponds to the vector W of the control handle of the main manipulator (Fig. 8)/

Таким образом, вектор WN - вектор W в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN).Thus, the vector WN is the vector W in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ).

Оператор с помощью управляющей рукояти управляет браншами концевого эффектора хирургического инструмента. В ответ на изменение положения управляющей рукояти (и соответственно, точки pOj и вектора myV), происходит перемещение вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента.The operator, using the control handle, controls the branches of the end effector of the surgical instrument. In response to a change in the position of the control handle (and, accordingly, the point pOj and the vector myV), the normal vector WN moves to the opening plane of the jaws of the surgical instrument.

Координаты вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN) определяют по Формуле (44):The coordinates of the normal vector WN to the opening plane of the jaws of the surgical instrument in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) are determined by Formula (44):

Figure 00000044
Figure 00000044

где координаты вектора myVN представляют собой координаты единичного вектора myV в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN), и определяются по Формуле (36), а координаты вектора iRotVN (Фиг. 6, 10), вдоль которого раскрываются лепестки управляющей рукояти главного манипулятора, находят следующим образом:where the coordinates of the vector myVN are the coordinates of the unit vector myV in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ), and are determined by Formula (36), and the coordinates of the iRotVN vector (Fig. 6, 10), along which the the petals of the control handle of the main manipulator are found as follows:

Figure 00000045
Figure 00000045

где myIHorN - вектор myIHor нормали к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента, перпендикулярный векторам myV и COj (Фиг. 6, 10), который в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN) имеет следующие координаты:where myIHorN is the vector myIHor of the normal to the opening plane of the jaws of the surgical instrument, perpendicular to the vectors myV and COj (Fig. 6, 10), which in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) has the following coordinates:

Figure 00000046
Figure 00000046

вектор myJN - вектор myJ, ортогональный векторам myVN, координаты которого определены по Формуле (36), и myIHorN, в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN), при этом:vector myJN - vector myJ, orthogonal to the vectors myVN, whose coordinates are determined by Formula (36), and myIHorN, in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ), while:

Figure 00000047
Figure 00000047

myRot - угол между векторами myIHorN и iRotVN (характеризующий поворот лепестков управляющей рукояти главного манипулятора относительно горизонтальной плоскости), который задается пальцами хирурга интуитивно и его точная величина складывается из значений считанного энкодером угла rotP и рассчитанного смещения deltaRot по Формуле (48):myRot is the angle between the vectors myIHorN and iRotVN (characterizing the rotation of the petals of the control handle of the main manipulator relative to the horizontal plane), which is set by the surgeon's fingers intuitively and its exact value is the sum of the values of the angle rotP read by the encoder and the calculated offset deltaRot according to Formula (48):

Figure 00000048
Figure 00000048

где значение rotP (угла поворота лепестков управляющей рукояти) непосредственно считывается энкодером, следящим за поворотом лепестков вокруг вектора myV относительно планетарной системы (Фиг. 1).where the value of rotP (the angle of rotation of the petals of the control handle) is directly read by the encoder, which monitors the rotation of the petals around the vector myV relative to the planetary system (Fig. 1).

deltaRot − является сложной функцией от пяти переменных углов a1L, a2L, a1J, a1P и a2P (Фиг. 1), значения которых считываются соответствующими энкодерами. Таким образом, myRot - это угол поворота лепестков управляющей рукоятки вокруг вектора myV, причем отсчет ведется от линии горизонта.deltaRot − is a complex function of five variable angles a1L, a2L, a1J, a1P and a2P (Fig. 1), whose values are read by the corresponding encoders. Thus, myRot is the angle of rotation of the control stick petals around the vector myV, and the reference is from the horizon line.

Смещение deltaRot рассчитывается на основе значений векторов iPT, myJt и myIt, описываемых ниже. На Фиг. 11 представлена блок-схема расчета смещения deltaRot.The offset deltaRot is calculated based on the values of the iPT, myJt and myIt vectors described below. On FIG. 11 is a flowchart for calculating the deltaRot bias.

Единичный вектор iPT, перпендикулярный векторам myV и COj в подвижной системе координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt), определяют по Формуле (49):The unit vector iPT, perpendicular to the vectors myV and COj in the moving coordinate system of the main manipulator (Xt, Yt, Zt), is determined by Formula (49):

Figure 00000049
Figure 00000049

а вектор myJt - вектор myJ в подвижной системе координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt):and the vector myJt is the vector myJ in the moving coordinate system of the main manipulator (X t , Y t , Z t ):

Figure 00000050
Figure 00000050

вектор myIt представляет собой вектор myIHor в подвижной системе координат (Xt, Yt, Zt), который определяется следующим образом:the vector myIt is the vector myIHor in the moving coordinate system (Xt, Yt, Zt), which is defined as follows:

Figure 00000051
Figure 00000051

При движении управляющей рукояти, закрепленной на главном манипуляторе, меняются координаты вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента, а также координаты точки pBra, располагаемой на концевом эффекторе хирургического инструмента, угла поворота штока хирургического инструмента rotStM и углов поворота звеньев концевого эффектора хирургического инструмента γ и ββ.When moving the control handle fixed on the main manipulator, the coordinates of the normal vector WN to the opening plane of the jaws of the surgical instrument change, as well as the coordinates of the point pBra located on the end effector of the surgical instrument, the angle of rotation of the rod of the surgical instrument rotStM and the angles of rotation of the links of the end effector of the surgical instrument γ and ββ.

4.2. Расчет точек и углов поворота штока и звеньев хирургического инструмента, закрепленного на исполнительном манипуляторе4.2. Calculation of points and angles of rotation of the rod and links of a surgical instrument mounted on an executive manipulator

4.2.1 Нахождение координат точки pBra на концевом эффекторе хирургического инструмента в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) и в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG)4.2.1 Finding the coordinates of the point pBra on the end effector of the surgical instrument in the coordinate system of the video camera (X cam , Y cam , Z cam ) and in the global coordinate system of the delivery site (X G , Y G , Z G )

Точка pBra (Фиг. 7) на концевом эффекторе хирургического инструмента в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam), соответствующая точке pOj на главном манипуляторе в системе координат дисплея (XD, YD, ZD), вычисляется по Формуле (52):The point pBra (Fig. 7) on the end effector of the surgical instrument in the video camera coordinate system (Xcam, Ycam, Zcam), corresponding to the point pOj on the main manipulator in the display coordinate system (X D , Y D , Z D ), is calculated by Formula (52 ):

Figure 00000052
Figure 00000052

где, Δ pOjD - отклонение точки pOj в системе координат дисплея (XD, YD, ZD), при этомwhere, Δ pOjD is the deviation of the point pOj in the display coordinate system (X D , Y D , Z D ), while

Figure 00000053
Figure 00000053

В тот момент, когда роботохирургический комплекс готов к работе или когда происходит отжатие (отпускание) педали «Clutch» на консоли хирурга программа запоминает абсолютную координату точки pOj главного манипулятора и сохраняет это значение как переменную pOjStartD. После отжатия педали точка pOjStartD фиксируется в пространстве и не перемещается, точка pOj продолжает перемещаться вместе с планетарной системой рукояти.At the moment when the robotic surgical complex is ready for operation or when the Clutch pedal is depressed (released) on the surgeon's console, the program remembers the absolute coordinate of the point pOj of the main manipulator and saves this value as a variable pOjStartD. After depressing the pedal, the point pOjStartD is fixed in space and does not move, the point pOj continues to move along with the planetary system of the handle.

При перемещении главного манипулятора изменяется координата точки pOj и программа вычисляет разность ΔpOjD между сохраненной переменной pOjStartD и новой координатой точки pOj в системе координат дисплея ((XD, YD, ZD). После чего разность умножается на коэффициент масшитабирования kShift и добавляется к начальной измеренной координате pBraMStartCam точки pBra видеокамеры. When moving the main manipulator, the coordinate of the point pOj changes and the program calculates the difference ΔpOjD between the saved variable pOjStartD and the new coordinate of the point pOj in the display coordinate system ((X D , Y D , Z D ). After that, the difference is multiplied by the scaling factor kShift and added to the initial measured coordinate pBraMStartCam of point pBra of the video camera.

При нажатии на педаль «Clutch» на консоли хирурга осуществляется присваивание pBraMStartCam=pBraMCam. Когда педаль нажата, происходит одновременное перемещение точек pOj и pOjStartD.When you press the Clutch pedal on the surgeon's console, pBraMStartCam=pBraMCam is assigned. When the pedal is pressed, the points pOj and pOjStartD move simultaneously.

При отпускании педали «Clutch» на консоли хирурга осуществляется присваивание pOjStartD=pOjD.When the Clutch pedal is released on the surgeon's console, pOjStartD=pOjD is assigned.

Точка pBra на концевом эффекторе хирургического инструмента в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG) вычисляется по следующей формуле:The point pBra on the end effector of the surgical instrument in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ) is calculated by the following formula:

Figure 00000054
Figure 00000054

где matC - матрица для перехода из системы координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) в глобальную систему координат узла доставки (XG, YG, ZG), при этом matС имеет следующие координаты:where matC is a matrix for transition from the video camera coordinate system (Xcam, Ycam, Zcam) to the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ), while matС has the following coordinates:

Figure 00000055
Figure 00000055

pTrCG - Координаты точек троакара манипулятора с камерой pTrC в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG), вычисляемые по Формуле (16).pTrCG - Coordinates of the trocar points of the manipulator with the pTrC camera in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ), calculated by Formula (16).

4.2.2 Вычисление значений угла поворота штока хирургического инструмента rotStM (rotStock) и углов поворота звеньев концевого эффектора хирургического инструмента γ и ββ в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG)4.2.2 Calculation of the angle of rotation of the surgical instrument rod rotStM (rotStock) and the angles of rotation of the end effector links of the surgical instrument γ and ββ in the global coordinate system of the delivery unit (X G , Y G , Z G )

Изменение направления вектора myV приводит к изменению углов поворота звеньев концевого эффектора γ (угол между штоком pTrPD0 и первым коленом бранша хирургического инструмента PD0pBra) и ββ (угол между первым и вторым коленом концевого эффектора хирургического инструмента), а также к изменению угла поворота штока инструмента rotStM (rotStock).A change in the direction of the myV vector leads to a change in the rotation angles of the end effector links γ (the angle between the stem pTrPD0 and the first knee of the surgical instrument jaw PD0pBra) and ββ (the angle between the first and second knee of the end effector of the surgical instrument), as well as to a change in the angle of rotation of the instrument stem rotStM (rotStock).

Угол γ, на который необходимо повернуть первое колено концевого эффектора хирургического инструмента, определяют по Формуле (55):The angle γ to which the first knee of the end effector of the surgical instrument must be rotated is determined by Formula (55):

Figure 00000056
Figure 00000056

Для определения угла γ находят подвижную ортонормированную тройку векторов (iXMG, jYMG, kZMG), связанную со штоком инструмента:To determine the angle γ, a moving orthonormal triple of vectors (iXMG, jYMG, kZMG) associated with the tool rod is found:

Figure 00000057
Figure 00000057

Figure 00000058
Figure 00000058

координаты единичного вектора kZMG находят по Формуле (29),the coordinates of the unit vector kZMG are found by Formula (29),

где rotStM - угол поворота штока инструмента, при этомwhere rotStM is the angle of rotation of the tool rod, while

Figure 00000059
;
Figure 00000059
;

где iX0MG, jY0MG -ортонормированные вектора, связанные со штоком хирургического инструмента, неподвижные относительно тройки векторов jATMG, nSymMG, kSymMG:where iX0MG, jY0MG are orthonormal vectors associated with the stem of a surgical instrument, fixed relative to the trio of vectors jATMG, nSymMG, kSymMG:

Figure 00000060
Figure 00000060

Figure 00000061
Figure 00000061

Figure 00000062
Figure 00000062

Вектор WG - вектор нормали к плоскости реза в глобальной системе координат (XG, YG, ZG), которая определяется путем умножения матрицы matС на вектор WCam:Vector WG is the vector of the normal to the cut plane in the global coordinate system (X G , Y G , Z G ), which is determined by multiplying the matС matrix by the WCam vector:

Figure 00000063
Figure 00000063

вектор WCam, определяющий нормаль к плоскости реза в системе координат видеокамеры, равен вектору WD: WCam=WD.the WCam vector, which defines the normal to the cut plane in the camera coordinate system, is equal to the WD vector: WCam=WD.

В главном манипуляторе имеется система координат дисплея (XD, YD, ZD) (фиг. 5), которая связана с дисплеем, в котором хирург наблюдает за процессом операции. Поэтому координаты основных точек и векторов неподвижной системы координат N главного манипулятора необходимо пересчитать в системе координат дисплея (XD, YD, ZD). А это значит, что необходимо вычислить координаты векторов myV и W в системе координат дисплея (XD, YD, ZD), т.е.The main manipulator has a display coordinate system (X D , Y D , Z D ) (Fig. 5), which is associated with the display in which the surgeon observes the operation process. Therefore, the coordinates of the main points and vectors of the fixed coordinate system N of the main manipulator must be recalculated in the display coordinate system (X D , Y D , Z D ). And this means that it is necessary to calculate the coordinates of the vectors myV and W in the display coordinate system (X D , Y D , Z D ), i.e.

Figure 00000064
Figure 00000064

где MD - матрица преобразования перехода из неподвижной системы координат главного манипулятора (XN, YN, ZN) в систему координат дисплея (XD, YD, ZD), в которой находится взор (голова) хирурга, определяемая по Формуле (42), а вектор WN - вектор нормали к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента в неподвижной системе координат главного манипулятора (XN, YN, ZN), определяемый по Формуле (44).where MD is the transformation matrix of the transition from the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ) to the display coordinate system (X D , Y D , Z D ), in which the surgeon's gaze (head) is located, determined by the Formula ( 42), and the vector WN is the normal vector to the opening plane of the jaws of the surgical instrument in the fixed coordinate system of the main manipulator (X N , Y N , Z N ), determined by Formula (44).

evBraMG - вектор, идущий от точки pD0 к точке pBra хирургического инструмента в глобальной системе координат (XG, YG, ZG):evBraMG - vector going from point pD0 to point pBra of the surgical instrument in the global coordinate system (X G , Y G , Z G ):

Figure 00000065
Figure 00000065

где Normalize - оператор нормализации вектора,where Normalize is the vector normalization operator,

tv - это вспомогательный вектор направленный от точки троакара pTr к точке pBra и вычисляется как разность координат точки pBra на концевом эффекторе хирургического инструмента в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG), вычисляемой по Формуле (54), и координат точки троакара исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом pTrM в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG), определяемой по Формуле (15):tv is an auxiliary vector directed from the trocar point pTr to the point pBra and is calculated as the difference between the coordinates of the point pBra on the end effector of the surgical instrument in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ) calculated by Formula (54), and coordinates of the trocar point of the executive manipulator with the pTrM surgical instrument in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ) determined by Formula (15):

Figure 00000066
Figure 00000066

Далее вычисляют угол ββ, который определяет угол между первым и вторым коленом концевого эффектора.Next, the angle ββ is calculated, which determines the angle between the first and second knee of the end effector.

Figure 00000067
Figure 00000067

где vBra2MCam - вектор, определяющий направление браншей хирургического инструмента, соответствующий произведению вектора myVD (найденного по Формуле (41)) на длину браншей LBra (Фиг. 7):where vBra2MCam is a vector that determines the direction of the jaws of the surgical instrument, corresponding to the product of the vector myVD (found by Formula (41)) and the length of the jaws LBra (Fig. 7):

Figure 00000068
Figure 00000068

evBraMCam - это вектор, определяющий направления браншей хирургического инструмента, в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam), соответствующий вектору myVD главного манипулятора в системе координат дисплея (XD, YD, ZD).evBraMCam is a vector that defines the directions of the jaws of a surgical instrument, in the video camera coordinate system (Xcam, Ycam, Zcam), corresponding to the myVD vector of the main manipulator in the display coordinate system (X D , Y D , Z D ).

jYMCam - это вектор, который совместно с векторами iXMCam и kZMCam образует ортонормированную тройку векторов подвижной системы координат связанной с хирургическим инструментом. В данном случае эта тройка векторов рассмотрена в системе координат видеокамеры. В глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG) эти вектора обозначаются как jYMG, iXMG, kZMG и вычисляются по формулам (57), (56), (29), соответственно.jYMCam is a vector that, together with the iXMCam and kZMCam vectors, forms an orthonormal trinity of vectors of the moving coordinate system associated with the surgical instrument. In this case, this trio of vectors is considered in the coordinate system of the video camera. In the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ) these vectors are denoted as jYMG, iXMG, kZMG and are calculated by formulas (57), (56), (29), respectively.

4.3. Вычисление значений угла вращения основной оси исполнительного манипулятора phiM и длины штока хирургического инструмента LTDM, закрепленного на исполнительном манипуляторе в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG)4.3. Calculation of the angle of rotation of the main axis of the executive manipulator phiM and the length of the stem of the surgical instrument LTDM, fixed on the executive manipulator in the global coordinate system of the delivery unit (X G , Y G , Z G )

Длину штока хирургического инструмента в теле человека находят по следующей формуле:The length of the stem of a surgical instrument in the human body is found by the following formula:

Figure 00000069
Figure 00000069

где «⋅» - скалярное произведение разницы векторов pD0MG и pTrMG; при этомwhere "⋅" is the scalar product of the difference between pD0MG and pTrMG vectors; wherein

pTrMG - координаты точки троакара исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом pTrM в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG), определяемая по Формуле (15).pTrMG - coordinates of the trocar point of the executive manipulator with the pTrM surgical instrument in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ), determined by Formula (15).

pD0MG - точка конца штока инструмента в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG), определяемая как разность точки pBraMG на концевом эффекторе хирургического инструмента, найденной по Формуле (54) и произведения вектора evBraMG, вычисленного по Формуле (64), на LBra1:pD0MG - end point of the instrument rod in the global coordinate system of the delivery node (X G , Y G , Z G ), defined as the difference between the point pBraMG on the end effector of the surgical instrument, found by Formula (54) and the product of the vector evBraMG, calculated by Formula (64 ), on LBra1:

Figure 00000070
Figure 00000070

где LBra1 - это конструктивно заданный параметр определяющий длину рабочей части браншей концевого эффектора хирургического инструмента.where LBra1 is a constructively specified parameter that determines the length of the working part of the jaws of the end effector of the surgical instrument.

Угол вращения основной оси исполнительного манипулятора phiM, представляющий собой угол поворота плоскости параллелограмма C2C3C4TrM и вектора kZM вокруг виртуальной оси jATMG, определяют следующим образом:The angle of rotation of the main axis of the executive manipulator phiM, which is the angle of rotation of the plane of the parallelogram C2C3C4TrM and the vector kZM around the virtual axis jATMG, is determined as follows:

Figure 00000071
Figure 00000071

где координаты единичного вектора kZMG находят по Формуле (29), а координаты векторов nSymMG и kSymMG определяют по Формулам (8) и (9), соответственно.where the coordinates of the unit vector kZMG are found by Formula (29), and the coordinates of the vectors nSymMG and kSymMG are determined by Formulas (8) and (9), respectively.

Далее определяют угол alTM - угол между векторами jATMG и kZMG, при этомNext, the angle alTM is determined - the angle between the vectors jATMG and kZMG, while

Figure 00000072
Figure 00000072

Определяя угол alTM находят угол αFM который подается непосредственно на двигатель манипулятора для вращения плеча манипулятора C2C3 вокруг точки С2 (фиг. 3),Determining the angle alTM, the angle αFM is found, which is fed directly to the manipulator motor to rotate the arm of the C2C3 manipulator around the point C2 (Fig. 3),

Figure 00000073
Figure 00000073

где Δ0- конструктивное отклонение оси инструмента от ребра параллелограмма манипулятораwhere Δ0 is the constructive deviation of the tool axis from the edge of the parallelogram of the manipulator

5. Передача вычисленных углов осей исполнительного манипулятора (phiM, LTDM, αFM) и вычисленных углов осей хирургического инструмента (ββ, γ, rotStM) на серводвигатели исполнительного манипулятора.5. Transfer of the calculated angles of the axes of the executive manipulator (phiM, LTDM, αFM) and the calculated angles of the axes of the surgical instrument (ββ, γ, rotStM) to the servomotors of the executive manipulator.

Определенные в ответ на движение управляющей рукояти значения угла вращения основной оси исполнительного манипулятора phiM; длины штока хирургического инструмента LTDM, закрепленного на исполнительном манипуляторе; углов поворота звеньев концевого эффектора γ и ββ, а также угла поворота штока инструмента rotStM передаются на серводвигатели исполнительного манипулятора, которые обеспечивают изменение положения исполнительного манипулятора, а также хирургического инструмента и видеокамеры, закрепленных на исполнительных манипуляторах, для осуществления манипулирования хирургическим инструментом и выполнения операции.The values of the angle of rotation of the main axis of the executive manipulator phiM determined in response to the movement of the control handle; the length of the stem of the LTDM surgical instrument fixed on the executive manipulator; the angles of rotation of the end effector links γ and ββ, as well as the angle of rotation of the tool rod rotStM, are transmitted to the servomotors of the executive manipulator, which provide a change in the position of the executive manipulator, as well as a surgical instrument and a video camera mounted on the executive manipulators, to manipulate the surgical instrument and perform the operation.

Заявляемый способ обработки данных положений точек и векторов главного и исполнительного манипуляторов на базе роботохирургического комплекса с планетарно-рычажным механизмом позволяет достичь интуитивности управления хирургическим инструментом.The inventive method for processing the position data of points and vectors of the main and executive manipulators on the basis of a robotic surgical complex with a planetary-lever mechanism makes it possible to achieve intuitive control of a surgical instrument.

Заявляемое техническое решение обладает следующими преимуществами:The proposed technical solution has the following advantages:

- главный манипулятор и исполнительный манипулятор с хирургическим инструментом обладают 7-ю степенями свободы. Узел доставки имеет 3 степени свободы. Данное решение позволяет обеспечить максимальную свободу в управлении.- the main manipulator and the executive manipulator with a surgical instrument have 7 degrees of freedom. The delivery node has 3 degrees of freedom. This solution allows you to provide maximum freedom in management.

- совмещение системы координат дисплея хирурга с главным манипулятором и системы координат видеокамеры рабочей области с хирургическими инструментами обеспечивают необходимую интуитивность в управлении.- combination of the coordinate system of the surgeon's display with the main manipulator and the coordinate system of the video camera of the working area with surgical instruments provide the necessary intuitiveness in control.

- погрешность перемещения точки pBra концевого эффектора, установленного на исполнительный манипулятор, составляет 0.1 мм.- the error of moving the pBra point of the end effector mounted on the executive manipulator is 0.1 mm.

- отклик хирургического инструмента в ответ на движение управляющей рукояти составляет 10 мс.- the response of the surgical instrument in response to the movement of the control handle is 10 ms.

- расположение видеокамеры в пространстве не оказывает влияния на интуитивность управления.- the location of the video camera in space does not affect the intuitiveness of control.

Claims (11)

1. Способ управления роботохирургическим комплексом, содержащим следующие узлы: консоль хирурга, снабженную главным манипулятором с управляющей рукоятью, выполненной в виде планетарно-рычажного механизма, стойка пациента с узлом доставки, снабженным исполнительным манипулятором с закрепленными на них хирургическими инструментами и видеокамерой, дисплей и локальные контроллеры, связанные с системой автоматического управления и энкодерами сервоприводов в системах главного и исполнительного манипуляторов, каждый из которых характеризуется системой координат;1. A method for controlling a robotic surgical complex containing the following units: a surgeon's console equipped with a main manipulator with a control handle made in the form of a planetary lever mechanism, a patient stand with a delivery unit equipped with an executive manipulator with surgical instruments and a video camera attached to them, a display and local controllers associated with the automatic control system and servo encoders in the systems of the main and executive manipulators, each of which is characterized by a coordinate system; включающий непрерывное определение посредством энкодеров координат и угловых положений главного манипулятора, координат и углов поворотов колен узла доставки, координат исполнительных манипуляторов с видеокамерой и с хирургическим инструментом;including continuous determination by encoders of the coordinates and angular positions of the main manipulator, the coordinates and angles of rotation of the knees of the delivery unit, the coordinates of the executive manipulators with a video camera and with a surgical instrument; выбор точки троакара с фиксированием ее положения в глобальной системе координат;selection of a trocar point with fixation of its position in the global coordinate system; определение угловых положений, точек и векторов узла доставки и главного манипулятора в глобальной системе координат и в системе координат камеры;determining the angular positions, points and vectors of the delivery unit and the main manipulator in the global coordinate system and in the camera coordinate system; определение по математическому алгоритму отклонений точек и векторов управляющей рукояти в системах координат главного манипулятор и дисплея в результате воздействия руки оператора на управляющую рукоять, вызывающего перемещение хирургического инструмента в операционном поле посредством вычисляемых по математическому алгоритму отклонений точек, векторов и угловых положений штока и концевого эффектора хирургического инструмента и исполнительного манипулятора;determination by a mathematical algorithm of deviations of points and vectors of the control arm in the coordinate systems of the main manipulator and the display as a result of the operator’s hand on the control arm, causing the surgical instrument to move in the operating field by means of deviations of points, vectors and angular positions of the rod and end effector of the surgical instrument calculated by the mathematical algorithm instrument and executive manipulator; передачу вычисленных значений на серводвигатели исполнительного манипулятора.transfer of the calculated values to the servomotors of the executive manipulator. 2. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 1, отличающийся тем, что главный манипулятор характеризуется подвижной и неподвижной системами координат.2. The method of controlling the robotic surgical complex according to claim 1, characterized in that the main manipulator is characterized by movable and fixed coordinate systems. 3. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 1, отличающийся тем, что главный манипулятор содержит в планетарной системе управляющей рукояти базовую точку pOj, при нажатии педали на консоли хирурга перемещаемую под воздействием управляющей рукояти без передачи управляющего воздействия на исполнительный манипулятор, а при отжатии педали осуществляют сохранение абсолютных координат текущего положения точки pOj в переменной точке pOjStart.3. A method for controlling a robotic surgical complex according to claim 1, characterized in that the main manipulator contains a base point pOj in the planetary system of the control handle, which, when the pedal is pressed on the surgeon's console, moves under the influence of the control handle without transferring the control action to the executive manipulator, and when the pedal is depressed save the absolute coordinates of the current position of the point pOj in the variable point pOjStart. 4. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 3, отличающийся тем, что осуществляют определение отклонения положения управляющей рукояти в результате воздействия руки оператора посредством определения отклонения положения базовой точки pOj, являющейся центром дуг окружностей, образующих управляющую рукоять, от положения точки pOjStart, координаты которой сохранены после отжатия педали и отклонения вектора myV, задающего направление оси на главном манипуляторе, вокруг которой вращаются лепестки управляющей рукояти.4. The method for controlling the robotic surgical complex according to claim 3, characterized in that the deviation of the position of the control arm as a result of the operator’s hand is determined by determining the deviation of the position of the base point pOj, which is the center of the arcs of circles forming the control arm, from the position of the point pOjStart, the coordinates of which saved after depressing the pedal and deflecting the vector myV, which sets the direction of the axis on the main manipulator, around which the petals of the control handle rotate. 5. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 1, отличающийся тем, что определяют координаты угловых положений колен узла доставки, координаты векторов фланца исполнительного манипулятора, координаты точки троакара исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и видеокамерой, координаты центрального пикселя матрицы видеокамеры и координаты конца штока хирургического инструмента.5. The method of controlling the robotic surgical complex according to claim 1, characterized in that the coordinates of the angular positions of the knees of the delivery unit, the coordinates of the vectors of the flange of the executive manipulator, the coordinates of the trocar point of the executive manipulator with the surgical instrument and the video camera, the coordinates of the central pixel of the matrix of the video camera and the coordinates of the end of the surgical rod are determined tool. 6. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 1, отличающийся тем, что для осуществления перемещения штока и концевого эффектора хирургического инструмента и исполнительного манипулятора в ответ на перемещение главного манипулятора осуществляют: вычисление отклонения вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей, перпендикулярного вектору, задающему направление оси на главном манипуляторе; определение угла myRot, характеризующего поворот лепестков рукояти главного манипулятора относительно горизонтальной плоскости; вычисление изменения положения базовой точки pBra, лежащей на оси пересечения первого и второго звеньев концевого эффектора; определение угла поворота штока хирургического инструмента и угла поворота звеньев концевого эффектора; определение угла вращения оси исполнительного манипулятора phiM и угла поворота αFM исполнительного манипулятора относительно его оси; вычисление длины штока хирургического инструмента в теле пациента.6. The method of controlling the robotic surgical complex according to claim 1, characterized in that in order to move the rod and the end effector of the surgical instrument and the executive arm in response to the movement of the main manipulator, the following is carried out: calculating the deviation of the normal vector WN to the plane of opening of the branches, perpendicular to the vector that sets the direction axes on the main manipulator; determination of the angle myRot, which characterizes the rotation of the petals of the handle of the main manipulator relative to the horizontal plane; calculating the change in the position of the base point pBra lying on the axis of intersection of the first and second links of the end effector; determination of the angle of rotation of the rod of the surgical instrument and the angle of rotation of the links of the end effector; determining the angle of rotation of the axis of the executive manipulator phiM and the angle of rotation αFM of the executive manipulator relative to its axis; calculation of the length of the surgical instrument stem in the patient's body.
RU2021126240A 2021-09-07 Method for controlling a robotic surgical complex RU2774990C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2774990C1 true RU2774990C1 (en) 2022-06-24

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9907458B2 (en) * 2006-01-25 2018-03-06 Intuitive Surgical Operations, Inc. Center robotic arm with five-bar spherical linkage for endoscopic camera
RU2720830C1 (en) * 2020-03-19 2020-05-13 Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд Assisting surgical complex
RU2721461C1 (en) * 2020-02-25 2020-05-19 Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд Method of controlling a camera in a robot-surgical system
US20200188046A1 (en) * 2018-12-13 2020-06-18 Ethicon Llc Surgical tool performance via measurement and display of tissue tension

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9907458B2 (en) * 2006-01-25 2018-03-06 Intuitive Surgical Operations, Inc. Center robotic arm with five-bar spherical linkage for endoscopic camera
US20200188046A1 (en) * 2018-12-13 2020-06-18 Ethicon Llc Surgical tool performance via measurement and display of tissue tension
RU2721461C1 (en) * 2020-02-25 2020-05-19 Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд Method of controlling a camera in a robot-surgical system
RU2720830C1 (en) * 2020-03-19 2020-05-13 Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд Assisting surgical complex

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9582079B2 (en) Manually operated robot control system and method for controlling a robot system
US11801103B2 (en) Surgical system and method of controlling surgical system
US5976156A (en) Stereotaxic apparatus and method for moving an end effector
EP3052042B1 (en) System for interacting with an object
US11504198B2 (en) Surgical system and method for controlling the same
CN107753109B (en) Concentric tube robot device and control method thereof
US12082892B2 (en) Surgical robot and method for displaying image of patient placed on surgical table
Tobergte et al. Planning and control of a teleoperation system for research in minimally invasive robotic surgery
US20240325098A1 (en) Systems and methods for controlling tool with articulatable distal portion
CN113679473A (en) Human-computer cooperative force feedback ventricular puncture robot device
EP3903712A1 (en) Surgical robot and method for setting pivot position
US20240050175A1 (en) Surgical robot, robotic surgical system, and control method for surgical robot
US20190223964A1 (en) System for camera control in robotic and laparoscopic surgery
RU2774990C1 (en) Method for controlling a robotic surgical complex
JPH08215205A (en) Medical manipulator
US20230068780A1 (en) Robotic surgical system and control method of robotic surgical system
US20230032548A1 (en) Robotic surgical system and method for setting pivot position
CN116350319A (en) Navigation robot system for high-precision neurosurgery minimally invasive puncture operation
US12133700B2 (en) Systems and methods for controlling a robotic manipulator or associated tool
Cornella et al. Improving Cartesian position Accuraca of a telesurgical robot
US12133706B2 (en) Surgical robot
WO2023120396A1 (en) Surgery assistance system, surgery assistance robot, and control method for surgery assistance system
EP3829826B1 (en) Systems and methods for controlling a robotic manipulator or associated tool
US20210330406A1 (en) Surgical Robot
KR20240071341A (en) robot system for assist endoscope