WO2021107819A1 - Operator controller for controlling a robotic surgical complex - Google Patents

Operator controller for controlling a robotic surgical complex Download PDF

Info

Publication number
WO2021107819A1
WO2021107819A1 PCT/RU2020/050342 RU2020050342W WO2021107819A1 WO 2021107819 A1 WO2021107819 A1 WO 2021107819A1 RU 2020050342 W RU2020050342 W RU 2020050342W WO 2021107819 A1 WO2021107819 A1 WO 2021107819A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
controller
operator
hand
platform
control
Prior art date
Application number
PCT/RU2020/050342
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Юрьевич ПУШКАРЬ
Рахим Суфьянович НАХУШЕВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Ассистирующие Хирургические Технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Ассистирующие Хирургические Технологии" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Ассистирующие Хирургические Технологии"
Publication of WO2021107819A1 publication Critical patent/WO2021107819A1/en

Links

Classifications

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

Definitions

  • the invention relates to the field of mechanical engineering, namely, to mechanisms - controllers, designed to control the operator of mechatronic devices.
  • the controller can be applied in the following areas: robotization, teleoperation, minimal invasive surgery, simulators, computer games and others. More specifically, the invention may relate to the field of monitoring and control of robotic surgical systems for performing minimally invasive surgical procedures and for simulating such surgical procedures in a virtual environment.
  • the use of a robot in surgery, or more correctly, an assisting mechatronic complex allows one to obtain functional capabilities and quality that are currently inaccessible to a doctor: the ability to penetrate through a small incision to hard-to-reach areas and operate them; accuracy and specified speed of tool movement; lack of tremor; rigidity and more. All these actions cannot yet be performed automatically by the robot and require special control and management by the operator-surgeon of the mechatronic device. Such control is implemented by a special spatial mechanism - the operator's controller.
  • the controller in a forward mode of operation, provides control and monitoring of the actuator, on the other hand, in the reverse mode of operation, it allows tactile sensation through virtual contact with the actuator.
  • a robot or manipulator can act as an actuator, and a controller can act as a tactile device, the impact forces of which are limited and commensurate with the strength of the operator's hands.
  • the controller operated by the operator's hand, generates one or more control signals, which are then used to control various movements of the assisting mechatronic complex, converting the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into commands for the mechatronic complex.
  • the controller also provides the user with force feedback input to the motion and / or user generated force.
  • the controller for remote control of the movement of the robotic surgical complex can be separated from the actuator by a considerable distance (for example, the controller can be in another room or in a completely different building).
  • Application US2019201147 A1 describes a controller for controlling a robotic system used for laparoscopic surgery, in particular for controlling surgical instruments.
  • the controller is a master body, structurally based on the principles of a parallel structure and having a delta-robot mechanism.
  • the controller includes an input device made in the form of a handle capable of translational and rotational movements.
  • the surgical instrument is positioned and moved based on the position and orientation of the controller handle.
  • the translational movements of the handle, realized by the delta-robot mechanism provide three translational degrees of freedom of movement of the surgical device, and three rotational degrees of freedom of the surgical device are provided due to the possibility of rotation of the handle.
  • the drive link of the delta robot has a cable transmission structure and includes at least one drive and at least one position sensor, which makes it possible to measure the deflection angle of the delta robot relative to the corresponding axis.
  • the features of the drive mechanism can be distinguished, which do not allow obtaining the required rigidity and accuracy of the structure due to the use of a cable transmission, since any cable is inherently stretched, due to which a backlash appears in the mechanism. This entails unsatisfactory consequences, scalable by the control system. There is also no feedback system.
  • Application US 2014192020 A1 describes a hand controller for robotic surgical interventions, with the help of which, by changing its position and orientation, various units of the robotic surgical complex are set in motion in order to manipulate a surgical instrument.
  • the controller includes a delta robot, a hand controller, and a wrist controller.
  • the controller has six degrees of freedom and one degree of freedom, providing seizure (Fig. 1). Three of the indicated degrees of freedom are linear degrees of freedom provided along the X, U, Z axes and implemented by the kinematics of the delta robot, the other three degrees of freedom are three rotational degrees of freedom, two of which are exercised by the wrist controller, and the remaining degree of freedom and angle capture is performed by the brush controller.
  • the controller is equipped with encoders and motors to digitize the movement of the operator's hand, as well as a system for measuring current and voltage in motors to indirectly determine the torque or force.
  • a delta robot in the design of the controller described in US 2014192020 A1 is driven by a cable system, which does not guarantee the rigidity of the structure, since over time it inevitably leads to backlash of the mechanism. And the accuracy, kinematics and dynamics of the controller depend on the rigidity of the structure. At the same time, the scalability of the system is limited by the maximum torque transmitted by the cable drive. The used system for measuring current and voltage in the motor has low accuracy and speed.
  • the prior art does not allow in one design of the hand controller to solve the following set of problems, which reduces the efficiency of its operation: a. ensuring the rigidity of the drive mechanism, which guarantees the accuracy of measuring signals about the position of the hand in space;
  • the technical problem of the present invention is to create a universal digital controller that increases the efficiency of control of mechatronic devices, including robotic surgical systems.
  • the effectiveness of management in this case is understood to mean reducing the load on the hands of the operator-surgeon, increasing the accuracy of determining the position and range of movement of the hands, mobility.
  • An additional technical problem is the creation of a controller that allows a person to interact by means of a hand with a mechatronic complex, first of all, with a robot, both by giving it a command and receiving feedback in response.
  • the developed controller must also be universal when used with different mechatronic complexes.
  • the developed operator controller for controlling the robotic surgical complex includes a fixed support platform, a movable platform located and moving parallel to the fixed support platform, connected to it by an actuator of a parallel structure, an actuator drive mechanism and a strain gauge platform installed between the movable platform and the fixed support platform and connected to the latter by means of cylindrical guides.
  • Each link of the drive mechanism is made in the form of a crank mechanism driven by a servo drive with a ball screw drive.
  • the strain gauge platform contains strain gauges coupled to each ball screw transmission.
  • the actuator of the parallel structure consists of three kinematic chains connected by one of its ends with the corresponding bearing assemblies fixed on a fixed support platform, and by the other ends - with a movable platform.
  • a control handle is attached to the movable platform with the possibility of covering it by the operator's hand and configured to control and convert the operator's hand movement into a digital signal in at least three rotational degrees of freedom and force action on the strain-gauge platform along three linear degrees of freedom.
  • the signal formed on the strain gauges is transmitted to the digital control unit of the controller, which calculates and transmits to the servo drive of the corresponding link of the drive mechanism of the said actuator the weight compensation commands and / or other compensatory movements along the planned trajectory calculated on the basis of the received data.
  • the parallel structure actuator is a delta robot.
  • the servo is configured with a built-in electromagnetic brake and an angle position sensor.
  • control handle of the controller includes a wrist controller configured to control and digitalize the movement of the operator's wrist in two rotational degrees of freedom in orthogonal planes, and a hand controller that provides direct contact with the entire surface of the operator's hand during controller control.
  • the hand controller includes a handle for controlling and digitizing the movement of the operator's hand through one rotational degree of freedom and finger grips for controlling and digitizing the position of the operator's fingers relative to the handle.
  • the wrist controller includes a pivot unit and a movable console unit.
  • control handle includes a wrist controller control unit, a hand controller control unit, a rotation unit rotation sensor, a movable arm unit rotation sensor, a rotation unit drive unit, a movable arm unit drive unit, a finger gripper rotation sensor, a rotation sensor handles, drive element of at least one finger grip, handle drive element.
  • the digital control unit is configured to receive signals about the current state of the operator's forces from the load platform and / or signals from the hand controller to turn the handle and / or at least one finger grip and / or signals from the wrist controller to turn the unit of the rotation mechanism and / or the unit of the movable console and transmission of the received signals to the external control system of the robotic surgical complex.
  • the digital control unit is configured to receive control signals from the external control system of the robotic surgical complex and transmit them to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit and / or the handle drive element and / or the drive element of at least one finger coverage.
  • the set tasks are achieved by using an improved controller design, or rather a robot delta drive mechanism, which will increase the rigidity and accuracy of the structure, and provide high information content of the applied forces from the operator.
  • the drive link in the form of a crank mechanism driven by a ball and a screw drive has a high gear ratio. This design provides high load capacity and high torque for unimpeded system scalability.
  • strain gauge or a module of such sensors as a force measuring device makes it possible to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of force application and the acceleration of the force application during the control of the mechatronic complex.
  • FIG. 1 illustrates a general view of a prototype control controller.
  • FIG. 2 illustrates a general view of the robotic surgical complex.
  • FIG. 3 illustrates a perspective view of a controller of the present invention for operator control of mechatronic devices.
  • FIG. 4 illustrates a developed model of a hand controller positioning unit made in the form of a delta robot in a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 5 illustrates the initial position of the delta robot.
  • FIG. 6 illustrates a preferred embodiment of a drive mechanism included with a hand controller.
  • FIG. 7 illustrates an implementation of a strain gauge in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 illustrates an assembled delta robot in accordance with the present invention.
  • FIG. 9 is an operator controller structure composed of a hand controller, a wrist controller, and a hand controller.
  • FIG. 10 schematically shows the control circuit of the controller.
  • FIG. 11 schematically depicts the planes in which the movements of the operator's hand in the wrist joint are carried out.
  • robot technological complex means complex systems or complexes in surgery using an assisting robot during surgery.
  • Robot-assistive systems or “robot-assisted surgical systems” are robotic systems designed to perform medical operations. These are not standalone devices. During the operation, the robotic assistive systems are controlled by surgeons.
  • mechatronic complex or
  • Mechanism system is understood as a complex or system with computer control of movement, which is based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science and computer control of the movement of machines and assemblies.
  • the anteroposterior axis BB 'lies in the sagittal plane S and controls the adduction and abduction movements occurring in the frontal plane:
  • absolute position in this document means a coordinate defined with respect to a fixed structural member.
  • rotation sensor in this document means a device designed to convert the angle of rotation of a rotating object into electrical or analog signals, allowing you to determine the angle of rotation. To determine the angle value
  • all types of angle encoders are suitable for turning one or another element.
  • most of the sensors used require, first of all, permanent registration and storage of the current data on the rotation of the element.
  • Rotary encoders can be used based on incremental and absolute encoders.
  • the sensors have digital output signals Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profmet and others. Sensors based on analog steering angle sensors and / or magnetic steering angle sensors can also be used.
  • connection means operatively connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.
  • the system of the robotic surgical complex includes three main units.
  • the first node is the controllers serving as a master device and with which the surgeon directly interacts.
  • the second executive unit is manipulators on which medical instruments are installed. Depending on the procedure performed, it is possible to change the medical instrument to the one required for this stage of the operation.
  • the third node of the robotic-surgical complex is the computing unit, with the help of which all interactions of the system are carried out.
  • the robotic surgical complex can be used for various surgical procedures, including urology, abdominal gynecology, neuro- and cardiac surgery.
  • An example of a robotic surgical complex is shown in Fig. 2.
  • the robotic system 300 includes at least one manipulator 310 with a surgical instrument 320 attached to it, an electronic control unit for the manipulator 330 and an operator interface 340 that receives commands from the surgeon, converts them into the movement of the surgical instrument 320 inside the patient's body in the time of the surgical operation and / or provides all the control commands from the surgeon with the components of the robotic surgical complex.
  • the main source of commands is the surgeon's hand. The hand controls the surgeon controller, which is part of the surgeon interface.
  • the surgeon's controller converts the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into commands for the robotic surgical system 300.
  • the controller generates a command for moving a manipulator with a surgical instrument in space. Additionally, the controller controls the rotation and / or deflection of the surgical instrument about one axis and the opening / closing of the jaw on the surgical instrument.
  • the manipulators with the surgical instrument are mounted on the surgical table on which the patient lies during the operation.
  • the manipulators can be placed on a cart or some other device in which the manipulators will be located proximal to the patient's level.
  • the robotic system 300 can have any number of manipulators, such as one or more manipulators.
  • the manipulators can be of any configuration.
  • Each manipulator 310 has a manipulator body and assembly to which a surgical instrument 320 is detachably attached, the movement and orientation of which is manipulated by a surgeon using a controller that digitizes the surgeon's hand.
  • the surgeon can control the movement and orientation of the surgical instruments without holding the instrument directly in his hand, the surgeon can use the complex in either a sitting or standing position.
  • the complex can be provided with a chair.
  • control controller with which the surgeon's hand interacts is an important link in the system of the robotic surgical complex.
  • the controller should read all the movements of the hand, wrist and hand as accurately and quickly enough without causing discomfort to the surgeon. Since the performed surgical interventions last for hours, during all this time the ergonomics of this device should be as comfortable as possible.
  • the scalability of the system allows you to change the amplitude of motion of the controller, which is controlled by the operator, and transform the controller's movements, increasing / decreasing them during the transformation, into precise manipulations of medical instruments in the patient's body.
  • the operator uses less energy by operating the controller, which allows him to carry out longer manipulations, while the medical instruments repeat the movements of his hands.
  • rigid and accurate kinematic schemes that will ensure the precision movement of the surgical instrument.
  • the proposed invention (controller) relates to the class of mechanisms that provide conversion into an electronic digital signal of commands that a person sets with a movement of the hand.
  • the controller as a whole consists of a control handle, a positioning platform unit and a digital control unit.
  • Controller digital 1000 as a whole consists of a control handle 1100, a positioning platform unit 1200 and a digital control unit (not shown in the drawing).
  • Said controller 1000 has a feed-forward loop for giving commands from the operator through the movement of his hand to the mechatronic device, and a feedback loop for transmitting in reverse order to the operator's hand the response commands-responses from the mechatronic device.
  • the controller 1000's feedback loop is designed to convey tactile sensations to the hand.
  • Hand contact of the controller 1000 is implemented at the control handle 1100.
  • the control handle 1100 generally consists of a hand controller 100 and a wrist controller 200, each of which provides two rotational degrees of freedom for the controller 1000.
  • the controller 1200 positioning platform unit is a hand controller that provides three translational degrees of freedom for the controller 1000 by reciprocating the mechanism of the controller 1000 along three mutually orthogonal axes.
  • the controller of the hand 1200 is attached to the controller of the wrist 200, which is part of the control handle of the controller 1100.
  • the controller of the operator 1000 controls and converts into a digital signal of the movement of the hand in six degrees of freedom.
  • the hand controller (or positioning platform block) consists of at least two platforms: a fixed support and a movable one, and a positioning block.
  • a movable platform is attached to the fixed support platform by means of a weight compensation mechanism including a positioning unit made on the principles of a parallel structure, preferably based on a delta type mechanism (delta robot or deltapod), and a drive mechanism that drives the delta robot while ensuring minimal backlash.
  • the parallel structure mechanism can be used by anyone.
  • the positioning unit is a closed kinematic chain consisting of rods of constant length, arranged in pairs in parallel and connected at one end with the corresponding drives fixed on a fixed support platform, and at the other ends with a movable platform.
  • Delta mechanisms have increased maneuverability and an extended working area boundary.
  • controller based on the parallel structure mechanism in comparison with the sequential structure controllers and other controllers, has a significantly lower weight and size, while at the same time greater accuracy, rigidity and power.
  • FIG. 4 depicts a specific embodiment of a delta robot 400 in accordance with one embodiment of the present invention.
  • a delta robot is a form of a parallel robot that consists of three arms 410 positioned at 120 ° relative to each other and attached to a support platform 420.
  • An advantage of the design of the delta robot 400 is the use of parallelograms 440 containing rods of constant length, arranged in pairs in parallel and connected to each other using cardan joints 450.
  • Parallelograms 440 are connected at one end by the corresponding levers 410, and at the other end are connected to a movable platform 430.
  • This design allows you to maintain the spatial orientation of the robot mechanisms. In this case, the movable platform 430 is always parallel to the supporting platform 420.
  • the connection of the arms 410 to the support platform 420 is made through the upper bearing assemblies 460 (Fig. 5) to provide the necessary angles for the initial state of the delta robot.
  • the upper bearing assemblies 460 are fixed on a support platform 420.
  • the levers 410 form an equilateral triangle 470 at the connection centers, the angles of which affect the size of the useful working area of the delta robot.
  • Levers 410 are responsible for movement along the Z axis. By increasing the length of the lever 410, the stroke along the Z axis increases.
  • the dimensions when moving along the X and Y axes are set by parallelograms 440.
  • the controller drive mechanism that drives the controller positioning unit, in particular the levers 410 may be any known mechanism that can reduce the loss of accuracy due to backlash during operation of the mechanism.
  • the drive mechanism can be designed as a crank mechanism. It is driven by a ball screw, which performs rotational movements by a servo drive with a built-in electromagnetic brake and an angle position sensor.
  • Servo drive is an electromechanical device that carries out dynamic movements with constant control of the angle of rotation of the shaft, and also provides the ability to control angular speeds in various actuators.
  • the parameters of the operation of the electric drive change and some corrective action is taken for the servo motor (or a series of actions), for example: turning the shaft, accelerating or decelerating, so that the value from the position sensor becomes as close as possible to the value of the external control parameter.
  • the type of servo used can be anything. In some embodiments, an integrated servo is used.
  • any known backlash-free gearbox with zero mechanical backlash can be used as the drive mechanism, for example, a backlash-free precision gearbox, preferably wave type or planetary gearbox with angular backlash less than 6 '.
  • the actuator acts on the support 480 opposite to the anchorage rods parallelogram 440 part of the lever 410 (figure 5).
  • FIG. 6 A specific embodiment of a controller drive mechanism according to the present invention is shown in FIG. 6.
  • the actuator 500 includes a ball screw servo 510 with a crank mechanism. Depending on the pitch of the ball screw and the radius of the crank, the gear ratio of the drive train can be increased or decreased.
  • the transmission of torque is carried out as follows.
  • the servo drive 510 through the coupling 530 is connected to the ball screw shaft 520 and drives it into rotational movements.
  • the nut 540 of the ball screw makes translational movements.
  • the nut 540 is attached to the guide platform 550, which is mounted on linear bearings 580, which run on the cylindrical guides 570.
  • the guide platform 550 has lower bearing assemblies 560, on which the crank mechanism element (connecting rod) 590 is based.
  • the crank mechanism translates translational movements of the guide platform 550 into the rotational movements of the lever 410.
  • the crank mechanism has negative angular positions at which the transmission of translational-rotational motion is non-linear. This effect manifests itself at small angles of the crank axis relative to the connecting rod axis - the so-called dead points, at which the nonlinearity of the movement transmission begins.
  • the angle is 90 ° near the top dead center and the same at the bottom dead center.
  • the crank does not need to rotate around its axis.
  • the kinematics of the delta robot controller according to the present invention has sufficiently rigid and accurate bearing capacities.
  • a strain-gauge platform 610 is installed and fixed, which is configured to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of force application and the acceleration of the force applied to the hand from the forearm and other , the upper parts of the operator's hand during the control of the mechatronic complex.
  • the strain gauge 610 is equipped with strain gauges (strain gauges) 600 to accurately and efficiently determine the applied forces from the operator, which are transmitted to the strain gauge platform through the bearing assemblies 620. Strain gauges 600 convert the amount of deformation into an electrical signal.
  • Load cell 600 in one embodiment, is an elongated square parallelepiped that has fastening holes 630 at its ends.
  • a through hole 640 is provided in the center of one of the planes that is perpendicular to the surface with fastening holes 630. ".
  • the opening 640 is configured to allow the strain gauge 600 to bend around the edges of the cutout.
  • a pair of thin-film strain gauges 651 are glued (in Fig. 7, a pair of strain gauges is located under the cover and is not shown in detail).
  • Four thin-film strain gauges are bridge-connected, so the strain gauge 600 has 4 pins 652.
  • an analog-to-digital converter (not shown in the drawing) is used.
  • the load cell 600 on the one hand, is connected with its movable end to the support bearing housing 620, and on the other hand, the other end is connected to the load cell 610 through the bearing assembly of the load platform 660.
  • Load cells 600 are located on strain gauge 610 and interface with each ball screw, namely the ball screw shaft, via support bearing assemblies 620.
  • the load cell 600 installed on the load cell 610 with its movable end connected to the support bearing housing 620. Load cell 600 converts the amount of deformation into an electrical signal and transmits it through its outputs to a digital controller control unit (not shown in the drawing).
  • the digital controller control unit calculates the trajectory of the delta robot along three linear coordinates and moves the positioning unit to the required position using servo drives.
  • the digital control unit can be configured to compare the received value of the signal about deformation, and therefore about displacement, with a predetermined value, which determines the position of the delta robot in equilibrium and supplying such a control signal to the servo drive so that the value from the angle position sensor became as close as possible to the value of the external control parameter.
  • SVV virtual weight
  • the "virtual weight” system multiplies the amount of force applied by the operator's hand to the control handle of the controller, which allows you to individually select and always provide a comfortable and constant force for a person when acting on the controller, regardless of the size and weight of the components of the controller.
  • the digital control block of the controller is configured and built in such a way that allows you to focus maximum effort on high-level control algorithms, freeing the user from the need to develop and debug devices and applications to control individual servo drives.
  • the digital control unit of the controller has the ability to record all control commands and transmit them to the numerical control system (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer.
  • CNC numerical control system
  • the configuration of the hand controller makes it possible to move it by the operator's hand along three linear coordinates without spending significant forces on the operator's hand, compensating for the lack of force by the operation of the actuator motors controlled by signals from the digital control unit of the controller to obtain accurate coordinates of the hand position from the movement of the forearm and other, higher-lying parts of the hand of the operator-surgeon at least three degrees of freedom and compensation for the weight of the hand controller in statics or during movement.
  • the controller can be used as a simulator for practicing certain action. For this, the control is carried out according to a control program that has been prepared and remains unchanged in the current process.
  • the signal from the numerical control system (CNC) is fed to the digital control unit of the controller, which, based on a predetermined algorithm, controls the drive mechanism accordingly in order to translate the positioning unit with the moving platform into the desired coordinates.
  • the digital controller control unit of the controller can provide resistance / resistance to a human hand with predetermined / calculated forces and accelerations by supplying a control signal to a drive mechanism that can be equipped with electromagnetic brakes.
  • the resistance / reaction mechanism can be constantly activated by sending a signal from the numerical control system (CNC) of the controller to the digital control unit of the controller and to the electromagnetic brakes of the drive mechanism, respectively.
  • the hand controller Before each use of the hand controller, it is calibrated for the user.
  • the hand controller has flexible settings, which allows it to be oriented for different tasks. When using the controller, it can be fully adapted to the operator and his tasks.
  • the improved design of the hand controller which is part of the control controller of the robotic surgical complex, allows more precise movements of the surgeon's hands.
  • the use of delta kinematics provides a high rigidity of the structure, which leads to a more accurate measurement of signals about the position in space of the operator's hand.
  • the development of a delta robot drive mechanism using a ball screw and a crank mechanism ensured precise movement of the translational degrees of freedom and improved the scalability of the system.
  • the use of tanzo sensors as force sensors makes it possible to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of force application and the acceleration of force application during control of the robotic surgical complex.
  • FIG. 9 is a perspective view of a mechatronic device controller that reads six degrees of freedom and consists of a hand controller, a wrist controller, and a hand controller.
  • the wrist controller is attached to the moveable platform of the hand controller.
  • the main purpose of the wrist controller is to implement contact and interaction with the operator's wrist and provide at least two rotational degrees of freedom to implement the orientation of the mechatronic complex element in response to the rotation of the operator's wrist, and to transfer forces to the operator's wrist when simulating a particular action for operator training.
  • the wrist controller is designed to be most accurate across the entire amplitude accurately determine the angle of rotation of the wrist in two orthogonal directions relative to a given center of rotation (relative to the place of attachment of the wrist controller to the hand controller) to obtain digital information about the turns in the operator's wrist during control of the mechatronic complex.
  • the design of the wrist controller is limited and specified by the physiological angle of the possible rotation of the wrist in these planes.
  • the wrist controller has at least two units: a pivot unit and a movable console unit, each of which provides two degrees of freedom for the wrist, and at least one wrist controller control unit.
  • the pivot mechanism assembly is attached to the hand controller 1200 so as to be rotatable about the longitudinal axis of the hand controller 1200 while providing one degree of freedom for the hand controller.
  • a rotation of the rotation mechanism unit is the usual rotation of the radius together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis (in Fig. 11, this rotation around the CC axis is indicated by the number 5).
  • the structure of the movable arm block provides one degree of freedom relative to the swing mechanism block.
  • the hand makes a rocking motion relative to the anteroposterior axis BB 'in the frontal plane T (movements are indicated by arrow 3 and arrow 4 in Fig. 11).
  • the amplitude of these movements is measured from the axis of the hand.
  • the amount of this movement can vary from 30 ° to 55 ° depending on the physiological capabilities of the operator.
  • At least one sensor for detecting the angle of rotation for each rotational degree of freedom allows the absolute position of the angle of inclination of the wrist controller to be determined.
  • these elements may be equipped with tachometers, accelerometers and force load indicators, each of which may provide electrical signals related to speed, acceleration and force applied to the corresponding element.
  • the hand controller activates the drive elements.
  • a hand controller is used as part of the operator's controller for controlling the mechatronic complex.
  • the hand controller is designed for contact and interaction with the surgeon's hand and most accurately, over the entire range of hand movement and at all angles of hand movement, it controls at least one angle of rotation of the hand, which is the angle of deflection of the hand (movement of the hand is indicated by arrow 1 and arrow 2 on Fig. 11) in the wrist joint in the sagittal plane relative to the transverse axis lying in the frontal plane, and movement, relative position of at least two fingers relative to each other, converting this information into a digital signal.
  • the hand controller ensures minimal weight load on the hand operator during control, has and implements a feedback channel from an element of a robotic technological complex or a control system as a whole, converting a digital control signal into mechanical movement, such as deviation of the hand (deviation) of the operator's hand in the sagittal plane relative to the transverse axis of the hand and / or mechanical movement at least two fingers of the operator.
  • the hand controller is characterized in that it contains a grip with finger grips.
  • the handle has a body that is gripped and held by the operator during operation. Finger grips are made with the possibility of placing the operator's fingers on them during operation.
  • the hand controller includes sensors for the rotation of the finger grips to determine the absolute position of the finger grips relative to the axis of rotation of the finger grips and a handle rotation sensor to determine the absolute position of the handle relative to its longitudinal axis, drive elements of the handle and finger grips, and a wrist controller control unit.
  • the hand controller monitors and digitizes the deviation of the operator's hand in the sagittal plane relative to the transverse axis of the hand located in the frontal plane (deviation of the hand in the wrist joint), as well as the position (approach / closure / removal) of at least two grasping the grip of the hand controller together with the operator's hand in the area of the finger grips.
  • the handle rotation sensor When the handle is rotated by the operator's hand, the handle rotation sensor generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the hand controller, which calculates the angle of deflection of the handle relative to its longitudinal axis and transmits this information to the digital control unit of the controller, which is configured transmission of the received signals to the numerical control system (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer.
  • CNC numerical control system
  • Finger grips work in combination.
  • one finger grip is integral with the handle body and is stationary relative thereto.
  • the other finger grip is movable and has one turn, rotating around its axis coinciding with the longitudinal axis of the handle.
  • the finger gripper rotation sensor reads the angle of rotation of the movable finger grip around its axis of rotation and transmits a digital signal to the control unit of the hand controller, which calculates its position relative to the stationary finger grip and transmits this information to the digital controller, which is configured to transmit the received signals on the system of numerical control (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer.
  • CNC system of numerical control
  • the digital control unit of the controller plans the trajectory of rotation of the handle and / or finger grips relative to the longitudinal axis of the handle and the axis of rotation of the finger grips, which coincides with the longitudinal axis of the handle, and by supplying a control signal to the drive handle element and / or finger grips drive element moves the handle and / or fingers grips and the operator's hand itself, which is in close contact with the handle body, to the required position.
  • the digital controller control unit may provide control signals via the hand controller control unit to the grip actuator and / or the finger grip actuator to accelerate and / or resist rotation of the grip and / or finger grip with set / design forces and accelerations when applied by the operator.
  • the acceleration / counteraction mechanism can be constantly activated by sending a signal to the digital control unit of the controller from the numerical control system (CNC) of the controller.
  • the digital controller control unit may indirectly send control commands to the handle drive element in order to implement turning the handle to the side coinciding with the turn of the hand or, conversely, to the side opposite to the turn of the hand to counter the hand.
  • the operator may also simultaneously have forces to rotate the wrist controller element, which repeat the abduction or adduction of the hand, which is also sometimes called the radial deviation of the hand, as well as the rotation of the radius with the hand. around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's arm.
  • the wrist controller monitors and digitizes the force data.
  • the rotation sensor of the movable console unit When the movable console unit is deflected by the operator's wrist from the anteroposterior axis lying in the sagittal plane, the rotation sensor of the movable console unit generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of deflection of the console and transmits this information a controller control unit, which is configured to transmit the received signals to a computer-based numerical control system (CNC) of the controller.
  • CNC computer-based numerical control system
  • the pivot unit rotation sensor When the pivot unit rotates around a predetermined center with the operator's wrist, the pivot unit rotation sensor generates a digital signal about the rotation angle and transmits it to the wrist controller control unit, which calculates the angle of deflection of the unit relative to the longitudinal axis of the operator's hand digital control unit of the controller, which is configured to transmit the received signals to the numerical control system (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer.
  • CNC numerical control system
  • the digital control unit of the controller based on the received data, plans the trajectory of the rotation of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit and by sending a control signal to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit moves the rotation mechanism unit and / or the movable console unit and directly the operator's wrist itself to the required position.
  • the hand controller the wrist controller, like the hand controller described above, can be used as a trainer for practicing certain actions. For this, the control is carried out according to a control program that has been prepared in advance and remains unchanged in the current process.
  • the signal from the numerical control system (CNC) goes to the digital control unit of the controller, which, based on a given algorithm, transmits control signals to:
  • the hand controller control unit which in turn controls the operation of the handle turning mechanism and / or the finger gripper turning mechanism appropriately in order to move the handle and / or at least one finger grip to the desired coordinates;
  • the wrist controller control unit which in turn controls the operation of the actuator of the handle pivot unit and / or the movable arm unit in order to rotate the pivot unit and / or the movable arm unit through the calculated angle.
  • the rigidly fixed handle with the hand holding this body to the block of the movable console also rotates.
  • the corresponding predetermined angles of rotation are monitored by a rotation sensor of the rotation mechanism unit and a rotation sensor of the movable console unit.
  • the drive element of the handle when a control signal is received to drive it, rotates the handle together with a rigidly attached body with a hand holding this body.
  • the preset angle of rotation is controlled by the handle rotation sensor.
  • the drive element of at least one finger grip when receiving a control signal to drive the drive element, rotates the movable finger grip by a calculated radius, thus moving at least one finger holding the finger grip by an amount set by a digital signal from the digital control unit of the controller.
  • the swing radius of the movable finger grip is monitored by the finger grip rotation sensor.
  • the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit when a control signal is received, rotates the wrist controller in two degrees of freedom.
  • the numerical control system (CNC) of the controller provides the transformation of the coordinates of the handle, finger grips, the movable console unit, the rotation mechanism unit, the movable platform into the coordinates of the actuator and generation of drive control signals for each degree of actuator mobility in such a way that one or another movement of the actuator corresponds to the direction in which the operator acted on the handle of the hand controller as part of the controller.
  • FIG. 10 schematically shows the control circuit of the controller.
  • the digital controller control unit is generally part of a multifunction controller and provides bi-directional communication between the controller drive unit, hand controller and wrist controller control units, and accessories.
  • the digital control unit also has the ability to synchronously control the specified controller mechanisms.
  • the hand controller control units and / or wrist controller control units, strain platform, digital controller control unit can be interfaced with the digital controller control unit via a common data bus.
  • the digital control unit of the controller is configured to record data on received / transmitted commands.
  • the digital control unit of the controller has the ability to repeat / demonstrate the movements of the recorded commands both in free mode and by transmitting the movements to the hand on the handle of the controller.
  • the means of data transmission are selected from devices designed to implement the process of communication between various devices via wired and / or wireless communication, in particular, such devices can be: GSM modem, Wi-Fi transceiver, Bluetooth or BLE module, GPRS module, Glonass module, NFS, Ethernet, etc.
  • the controller is calibrated to the user each time it is used.
  • the controller has flexible settings, which allows it to be oriented to different tasks. When using the controller, it can be fully adapted to the operator and his tasks.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

The invention relates to the field of monitoring and control of robotic surgical complexes for conducting minimally invasive surgical operations. The operator controller for controlling the robotic surgical complex consists of a platform unit for positioning the controller and a control handle. The platform unit comprises a fixed support platform, a movable platform arranged parallel to the support platform and connected to same by means of a delta robot, a drive mechanism of an actuating mechanism, a control unit, and a strain-gauge platform. Each link of the drive mechanism is in the form of a crank-and-rod mechanism driven by a servo drive with a ball screw transmission. The strain-gauge platform is mounted between the movable platform and the support platform and is connected to the latter by means of cylindrical guides. Strain gauges are arranged on the strain-gauge platform and linked to each ball screw transmission. A control handle, which can be grasped by the operator's hand and is configured for monitoring the motion of the operator's hand and converting it into a digital signal, is attached to the movable platform. The controller transmits the signal to a digital control unit, which calculates and transmits weight compensation commands to the servo drive of the corresponding link of the drive mechanism of the controller for effective control of robotic surgical complexes.

Description

КОНТРОЛЛЕР ОПЕРАТОРА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОХИРУРГИЧЕСКИМ OPERATOR CONTROLLER FOR SURGICAL ROBOT CONTROL
КОМПЛЕКСОМ COMPLEX
Область техники, к которой относится изобретение The technical field to which the invention relates
[001] Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к механизмам - контроллерам, предназначенным для управления оператором мехатронными устройствами. Контроллер может быть применен в следующих областях: роботизация, телеоперация, минимальная инвазивная хирургия, тренажеры, компьютерные игры и другие. Более конкретно, изобретение может относится к области контроля и управления роботизированными хирургическими комплексами для проведения минимально инвазивных хирургических операций и для симуляции таких хирургических операций в виртуальной среде. [001] The invention relates to the field of mechanical engineering, namely, to mechanisms - controllers, designed to control the operator of mechatronic devices. The controller can be applied in the following areas: robotization, teleoperation, minimal invasive surgery, simulators, computer games and others. More specifically, the invention may relate to the field of monitoring and control of robotic surgical systems for performing minimally invasive surgical procedures and for simulating such surgical procedures in a virtual environment.
Предпосылки создания изобретения Background of the invention
[002] Современные роботы повышают производственную эффективность, прежде всего автоматизируя выполнение технологических процессов. Однако, роботы имеют и иные преимущества, создающие основу инновационных технологий и изделий. [002] Modern robots increase production efficiency, primarily by automating the execution of technological processes. However, robots have other advantages as well, which form the basis for innovative technologies and products.
[003] Так, использование в хирургии робота, а корректнее, ассистирующего мехатронного комплекса, позволяет получить на сегодняшний день недоступные врачу функциональные возможности и качество: возможность проникать через малый разрез к труднодоступным областям и оперировать их; точность и заданная скорость перемещения инструмента; отсутствие тремора; жесткость и другое. Все эти действия пока не могут выполняться роботом автоматически и требуют специального контроля и управления оператором-хирургом мехатронного устройства. Такой контроль реализуется специальным пространственным механизмом - контроллером оператора. [004] С одной стороны, контроллер, в прямом порядке работы, обеспечивает управление и контроль исполнительного механизма, с другой стороны, в обратном порядке работы, он позволяет реализовать тактильное ощущение через виртуальный контакт с исполнительным механизмом. В качестве исполнительного механизма может выступать робот или манипулятор, а в качестве тактильного устройства - контроллер, силы воздействия которого ограничены и соизмеримы с силой рук оператора. Контроллер, управляемый рукой оператора, генерирует один или несколько управляющих сигналов, которые затем используются для управления различными движениями ассистирующего мехатронного комплекса, преобразуя механические движения руки по шести степеням свободы в команды для мехатронного комплекса. Контроллер также предоставляет пользователю информацию с обратной связью по силе, поступающую на вход движения и / или силы, генерируемой пользователем. [003] Thus, the use of a robot in surgery, or more correctly, an assisting mechatronic complex, allows one to obtain functional capabilities and quality that are currently inaccessible to a doctor: the ability to penetrate through a small incision to hard-to-reach areas and operate them; accuracy and specified speed of tool movement; lack of tremor; rigidity and more. All these actions cannot yet be performed automatically by the robot and require special control and management by the operator-surgeon of the mechatronic device. Such control is implemented by a special spatial mechanism - the operator's controller. [004] On the one hand, the controller, in a forward mode of operation, provides control and monitoring of the actuator, on the other hand, in the reverse mode of operation, it allows tactile sensation through virtual contact with the actuator. A robot or manipulator can act as an actuator, and a controller can act as a tactile device, the impact forces of which are limited and commensurate with the strength of the operator's hands. The controller, operated by the operator's hand, generates one or more control signals, which are then used to control various movements of the assisting mechatronic complex, converting the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into commands for the mechatronic complex. The controller also provides the user with force feedback input to the motion and / or user generated force.
[005] Контроллер для дистанционного управления движением роботохирургического комплекса может быть отделен от исполнительного механизма значительным расстоянием (например, контроллер может быть в другой комнате или в совершенно другом здании). [005] The controller for remote control of the movement of the robotic surgical complex can be separated from the actuator by a considerable distance (for example, the controller can be in another room or in a completely different building).
[006] Анализ уже созданных и используемых контроллеров, только в роботохирургии, позволил выявить многочисленные замечания, такие как: большой размер контроллеров, отсутствие обратной связи, большой вес контроллеров, невозможность изменить позу расположения оператора перед контроллером, ограниченная точность оцифровки перемещения руки оператора, ограниченный «клач» и другое. [006] Analysis of already created and used controllers, only in robotic surgery, made it possible to reveal numerous remarks, such as: large size of controllers, lack of feedback, large weight of controllers, impossibility to change the position of the operator in front of the controller, limited accuracy of digitizing the movement of the operator's hand, limited "clutch" and others.
[007] Заявка US2019201147 А1 описывает контроллер управления роботизированной системой, используемой для лапароскопической хирургии, в частности, для управления хирургическими инструментами. Контроллер является задающим органом, конструктивно построенным на принципах параллельной структуры и имеющим механизм дельта-робота. Контроллер включает устройство ввода, выполненное в виде рукоятки, способной к поступательным и вращательным перемещениям. Хирургический инструмент позиционируется и перемещается в зависимости от положения и ориентации рукоятки контроллера. Поступательные перемещения рукоятки, реализованные механизмом дельта-робота, обеспечивают три поступательные степени свободы перемещения хирургического устройства, а три вращательные степени свободы хирургического устройства обеспечены за счет возможности вращения рукоятки. Приводное звено дельта-робота имеет тросовую конструкцию передачи и включает в себя по меньшей мере один привод и по меньшей мере один датчик положения, который позволяет измерять угол отклонения дельта-робота относительно соответствующей оси. [007] Application US2019201147 A1 describes a controller for controlling a robotic system used for laparoscopic surgery, in particular for controlling surgical instruments. The controller is a master body, structurally based on the principles of a parallel structure and having a delta-robot mechanism. The controller includes an input device made in the form of a handle capable of translational and rotational movements. The surgical instrument is positioned and moved based on the position and orientation of the controller handle. The translational movements of the handle, realized by the delta-robot mechanism, provide three translational degrees of freedom of movement of the surgical device, and three rotational degrees of freedom of the surgical device are provided due to the possibility of rotation of the handle. The drive link of the delta robot has a cable transmission structure and includes at least one drive and at least one position sensor, which makes it possible to measure the deflection angle of the delta robot relative to the corresponding axis.
[008] В качестве основного недостатка описанного выше контроллера можно выделить особенности приводного механизма, которые не позволяют получить требуемую жесткость и точность конструкции за из-за использования тросовой передачи, так как любому тросу свойственно растяжение, из-за чего появляется люфт в механизме. Это влечет за собой неудовлетворительные последствия, масштабируемые системой управления. Также отсутствует система обратной связи. [008] As the main disadvantage of the controller described above, the features of the drive mechanism can be distinguished, which do not allow obtaining the required rigidity and accuracy of the structure due to the use of a cable transmission, since any cable is inherently stretched, due to which a backlash appears in the mechanism. This entails unsatisfactory consequences, scalable by the control system. There is also no feedback system.
[009] Заявка US 2014192020 А1 описывает контроллер руки для роботизированных хирургических вмешательств, с помощью которого посредством изменения его положения и ориентации осуществляется приведение в движение различных узлов роботохирургического комплекса с целью манипулирования хирургическим инструментом. [009] Application US 2014192020 A1 describes a hand controller for robotic surgical interventions, with the help of which, by changing its position and orientation, various units of the robotic surgical complex are set in motion in order to manipulate a surgical instrument.
[010] Контроллер имеет в составе дельта-робот, контроллер кисти и контроллер запястья.[010] The controller includes a delta robot, a hand controller, and a wrist controller.
Контроллер имеет шесть степеней свободы и одну степень свободы, обеспечивающую схватывание (фиг. 1). Три из указанных степеней свободы - это линейные степени свободы, обеспеченные по осям X, U, Z и осуществляемые кинематикой дельта-робота, другие три степени свободы - это три вращательные степени свободы, две из которых отрабатывает контроллер запястья, а оставшуюся степень свободы и угол захвата выполняет контроллер кисти. Контроллер снабжен энкодерами и двигателями для совершения преобразования движения руки оператора в цифровую форму, а также системой измерения тока и напряжения в двигателях для косвенного определения крутящего момента или силы. The controller has six degrees of freedom and one degree of freedom, providing seizure (Fig. 1). Three of the indicated degrees of freedom are linear degrees of freedom provided along the X, U, Z axes and implemented by the kinematics of the delta robot, the other three degrees of freedom are three rotational degrees of freedom, two of which are exercised by the wrist controller, and the remaining degree of freedom and angle capture is performed by the brush controller. The controller is equipped with encoders and motors to digitize the movement of the operator's hand, as well as a system for measuring current and voltage in motors to indirectly determine the torque or force.
[011] Дельта-робот в конструкции контроллера, описываемого в US 2014192020 А1, приводится в действие тросовой системой, которая не гарантирует жесткость конструкции, так как со временем неизбежно приводит к люфту механизма. А от жесткости конструкции зависит точность, кинематика и динамика контроллера. В то же время масштабируемость системы ограничена максимальным моментом, передаваемым тросовым приводом. Используемая система измерения тока и напряжения в двигателе обладает малыми точностью и быстродействием. [011] A delta robot in the design of the controller described in US 2014192020 A1, is driven by a cable system, which does not guarantee the rigidity of the structure, since over time it inevitably leads to backlash of the mechanism. And the accuracy, kinematics and dynamics of the controller depend on the rigidity of the structure. At the same time, the scalability of the system is limited by the maximum torque transmitted by the cable drive. The used system for measuring current and voltage in the motor has low accuracy and speed.
[012] Известный уровень техники не позволяет в одной конструкции контроллера руки решить следующую совокупность проблем, что понижает эффективность его работы: a. обеспечение жесткости приводного механизма, что гарантирует точность измерение сигналов о положении руки в пространстве; [012] The prior art does not allow in one design of the hand controller to solve the following set of problems, which reduces the efficiency of its operation: a. ensuring the rigidity of the drive mechanism, which guarantees the accuracy of measuring signals about the position of the hand in space;
B. точность приводного механизма, что обеспечивает требуемую точность перемещения по степеням свободы; c. измерение тока и напряжения на приводах механизма контроллера, что дает достаточно точные результаты для определения косвенных значений крутящего момента или силы. B. the accuracy of the drive mechanism, which provides the required accuracy of movement in the degrees of freedom; c. measurement of current and voltage on the drives of the controller mechanism, which gives sufficiently accurate results to determine indirect values of torque or force.
[013] Таким образом, существует потребность в создании универсального контроллера, который бы имел возможность обеспечить минимальную нагрузку веса на руку во время работы и имел возможность в обратном порядке преобразовывать цифровой управляющий сигнал в механическое перемещение -поворот элементов контроллера, передавая его на руки и пальцы хирурга. Конструкция данного контроллера должна обеспечить по меньшей мере 6 степеней свободы движения, из них три степени — это поступательные перемещения и три вращательные степени свободы. Также обеспечивается одна степень свободы для обеспечения захвата. Все движения, совершаемые контроллером, должны иметь интуитивно понятное взаимодействие с хирургическим инструментом для реализации их в хирургических процедурах. [013] Thus, there is a need to create a universal controller that would be able to provide a minimum weight load on the hand during operation and would be able to reversely convert a digital control signal into mechanical movement-rotation of controller elements, transmitting it to hands and fingers surgeon. The design of this controller must provide at least 6 degrees of freedom of movement, of which three degrees are translational movements and three rotational degrees of freedom. It also provides one degree of freedom to provide grip. All movements made by the controller must have an intuitive interaction with the surgical instrument for implementation in surgical procedures.
[014] Именно решению перечисленных проблем посвящена данная заявка. [014] This application is dedicated to the solution of the listed problems.
Суть изобретения The essence of the invention
[015] Технической задачей настоящего изобретения является создание универсального цифрового контроллера, повышающего эффективность управления мехатронными устройствами, в том числе роботохирургическими комплексами. При этом под эффективностью управления в данном случае понимают сокращение нагрузки на руки оператора-хирурга, повышение точности определения положения и диапазона перемещения рук, мобильность. [015] The technical problem of the present invention is to create a universal digital controller that increases the efficiency of control of mechatronic devices, including robotic surgical systems. In this case, the effectiveness of management in this case is understood to mean reducing the load on the hands of the operator-surgeon, increasing the accuracy of determining the position and range of movement of the hands, mobility.
[016] Дополнительной технической задачей является создание контроллера, который позволяет осуществлять взаимодействие человека посредством руки с мехатронным комплексом, прежде всего, с роботом, как задавая ему команду, так и получая обратные реакции в ответ. [016] An additional technical problem is the creation of a controller that allows a person to interact by means of a hand with a mechatronic complex, first of all, with a robot, both by giving it a command and receiving feedback in response.
[017] При этом разрабатываемый контроллер должен быть также универсальным при использовании его с разными мехатронными комплексами. [017] In this case, the developed controller must also be universal when used with different mechatronic complexes.
[018] С целью решения поставленных задач разработанный контроллер оператора для управления роботохирургическим комплексом включает неподвижную опорную платформу, подвижную платформу, расположенную и передвигающуюся параллельно неподвижной опорной платформе, соединенную с ней посредством исполнительного механизма параллельной структуры, приводной механизм исполнительного механизма и тензоплатформу, установленную между подвижной платформой и неподвижной опорной платформой и соединенную с последней посредством цилиндрических направляющих. Каждое звено приводного механизма выполнено в виде кривошипно-шатунного механизма, приводимого в движение сервоприводом с шарико- винтовой передачей. На тензоплатформе расположены сопряженные с каждой шарико -винтовой передачей тензодатчики. При этом исполнительный механизм параллельной структуры представляет собой три кинематические цепи, связанные одними своими концами с соответствующими подшипниковыми узлами, закрепленными на неподвижной опорной платформе, а другими концами - с подвижной платформой. При этом к подвижной платформе прикреплена управляющая ручка с возможностью ее охвата кистью руки оператора и сконфигурированная для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения руки оператора по меньше мере по трем вращательным степеням свободы и силового воздействия на тензоплатформу по трем линейным степеням свободы. При этом формирующийся на тензодатчиках сигнал передаётся на цифровой блок управления контроллером, который рассчитывает и передает на сервопривод соответствующего звена приводного механизма упомянутого исполнительного механизма команды компенсации веса и/или иные компенсационные перемещения по планируемой траектории, рассчитанной на основе полученных данных. [018] In order to solve the set tasks, the developed operator controller for controlling the robotic surgical complex includes a fixed support platform, a movable platform located and moving parallel to the fixed support platform, connected to it by an actuator of a parallel structure, an actuator drive mechanism and a strain gauge platform installed between the movable platform and the fixed support platform and connected to the latter by means of cylindrical guides. Each link of the drive mechanism is made in the form of a crank mechanism driven by a servo drive with a ball screw drive. The strain gauge platform contains strain gauges coupled to each ball screw transmission. In this case, the actuator of the parallel structure consists of three kinematic chains connected by one of its ends with the corresponding bearing assemblies fixed on a fixed support platform, and by the other ends - with a movable platform. At the same time, a control handle is attached to the movable platform with the possibility of covering it by the operator's hand and configured to control and convert the operator's hand movement into a digital signal in at least three rotational degrees of freedom and force action on the strain-gauge platform along three linear degrees of freedom. In this case, the signal formed on the strain gauges is transmitted to the digital control unit of the controller, which calculates and transmits to the servo drive of the corresponding link of the drive mechanism of the said actuator the weight compensation commands and / or other compensatory movements along the planned trajectory calculated on the basis of the received data.
[019] В некоторых вариантах осуществления изобретения исполнительный механизм параллельной структуры представляет собой дельта-робот. [019] In some embodiments, the parallel structure actuator is a delta robot.
[020] В некоторых вариантах осуществления изобретения сервопривод выполнен со встроенным электромагнитным тормозом и датчиком положения углов. [020] In some embodiments of the invention, the servo is configured with a built-in electromagnetic brake and an angle position sensor.
[021] При этом управляющая ручка контроллера включает контроллер запястья, сконфигурированного для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения запястья оператора по двум вращательным степеням свободы в ортогональных плоскостях, и контроллер кисти, обеспечивающий непосредственный контакт со всей поверхностью кисти оператора во время управления контроллером. [021] In this case, the control handle of the controller includes a wrist controller configured to control and digitalize the movement of the operator's wrist in two rotational degrees of freedom in orthogonal planes, and a hand controller that provides direct contact with the entire surface of the operator's hand during controller control.
[022] Контроллер кисти включает рукоятку для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения кисти оператора по одной вращательной степени свободы и пальцевые схваты для контроля и преобразования в цифровой сигнал положения пальцев руки оператора относительно рукоятки. [022] The hand controller includes a handle for controlling and digitizing the movement of the operator's hand through one rotational degree of freedom and finger grips for controlling and digitizing the position of the operator's fingers relative to the handle.
[023] Контроллер запястья включает блок механизма поворота и блок подвижной консоли. [023] The wrist controller includes a pivot unit and a movable console unit.
[024] Кроме того, управляющая ручка включает блок управления контроллером запястьем, блок управления контроллером кисти, датчик поворота блока механизма поворота, датчик поворота блока подвижной консоли, приводной элемент блока механизма поворота, приводной элемент блока подвижной консоли, датчик поворота пальцевых схватов, датчик поворота рукоятки, приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого охвата, приводной элемент рукоятки. [024] In addition, the control handle includes a wrist controller control unit, a hand controller control unit, a rotation unit rotation sensor, a movable arm unit rotation sensor, a rotation unit drive unit, a movable arm unit drive unit, a finger gripper rotation sensor, a rotation sensor handles, drive element of at least one finger grip, handle drive element.
[025] Кроме того, цифровой блок управления сконфигурирован для получения сигналов о текущем состоянии усилий со стороны оператора от тензоплатформы и/или сигналов от контроллера кисти о повороте рукоятки и/или по меньшей мере одного пальцевого охвата и/или сигналов от контроллера запястья о повороте блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли и передачи полученных сигналов на внешнюю систему управления роботохирургическим комплексом. Кроме того, цифровой блок управления сконфигурирован для получения управляющих сигналов от внешней системы управления роботохирургическим комплексом и передачи их на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли и/или приводной элемент рукоятки и/или приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого охвата. [025] In addition, the digital control unit is configured to receive signals about the current state of the operator's forces from the load platform and / or signals from the hand controller to turn the handle and / or at least one finger grip and / or signals from the wrist controller to turn the unit of the rotation mechanism and / or the unit of the movable console and transmission of the received signals to the external control system of the robotic surgical complex. In addition, the digital control unit is configured to receive control signals from the external control system of the robotic surgical complex and transmit them to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit and / or the handle drive element and / or the drive element of at least one finger coverage.
[026] Поставленные задачи достигаются тем, что используется усовершенствованная конструкция контроллера, а точнее приводного механизма дельта робота, которая позволит увеличить жесткость и точность конструкции, обеспечит высокую информативность приложенных сил со стороны оператора. Приводное звено в виде кривошипно-шатунного механизма, приводимого в движение шар ико -винтовой передачей, обладает высоким передаточным числом. Такая схема обеспечивает большую нагрузочную способность и высокий момент для беспрепятственной масштабируемости системы. [026] The set tasks are achieved by using an improved controller design, or rather a robot delta drive mechanism, which will increase the rigidity and accuracy of the structure, and provide high information content of the applied forces from the operator. The drive link in the form of a crank mechanism driven by a ball and a screw drive has a high gear ratio. This design provides high load capacity and high torque for unimpeded system scalability.
[027] Применение в качестве измерительного устройства сил тензодатчика или модуля из таких датчиков дает возможность получения цифровой информации в трехмерном пространстве о прикладываемой силе, векторе приложения силы и ускорении приложения силы, во время управления мехатронным комплексом. [027] The use of a strain gauge or a module of such sensors as a force measuring device makes it possible to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of force application and the acceleration of the force application during the control of the mechatronic complex.
[028] Масштабируемость системы позволяет изменять амплитуду совершаемых на контроллере управления движения рук и преобразовать их в команды точной манипуляции инструментов в теле пациента. Оператор, управляя контроллером, тратит меньше энергии и испытывает меньшее напряжение, что позволяет ему проводить более длительные манипуляции. При этом инструменты повторяют движение его рук. [028] The scalability of the system allows you to change the amplitude of the hand movements performed on the controller and convert them into commands for precise manipulation of instruments in the patient's body. The operator uses less energy and less stress when operating the controller, which allows him to carry out longer manipulations. In this case, the tools repeat the movement of his hands.
[029] Увеличение масштабируемости и повышение точности контроллера достигаются за счет использования жестких и точных кинематических схем, которые обеспечивают прецизионные движения как контроллера, так и хирургического инструмента. [029] Increased scalability and improved controller accuracy are achieved through the use of rigid and precise kinematic circuits that allow precise movements of both the controller and the surgical instrument.
[030] Объекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны специалистам после рассмотрения следующего подробного описания и чертежей. [030] The objects and advantages of the present invention will become more apparent to those skilled in the art upon consideration of the following detailed description and drawings.
Краткое описание чертежей Brief Description of Drawings
[031] Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения. [031] The accompanying drawings, which are incorporated and form part of this specification, illustrate embodiments of the invention and in conjunction with the foregoing general description of the invention and the following detailed description of the embodiments embodiments serve to explain the principles of the present invention.
[032] Фиг. 1 иллюстрирует общий вид прототипа контроллера управления. [032] FIG. 1 illustrates a general view of a prototype control controller.
[033] Фиг. 2 иллюстрирует общий вид роботохирургического комплекса. [033] FIG. 2 illustrates a general view of the robotic surgical complex.
[034] Фиг. 3 иллюстрирует перспективный вид контроллера по настоящему изобретению, предназначенного для управления оператором мехатронными устройствами. [034] FIG. 3 illustrates a perspective view of a controller of the present invention for operator control of mechatronic devices.
[035] Фиг. 4 иллюстрирует разработанную модель блока позиционирования контроллера руки, выполненного в виде дельта-робота в предпочтительном варианте осуществления изобретения. [035] FIG. 4 illustrates a developed model of a hand controller positioning unit made in the form of a delta robot in a preferred embodiment of the invention.
[036] Фиг. 5 иллюстрирует исходное положение дельта робота. [036] FIG. 5 illustrates the initial position of the delta robot.
[037] Фиг. 6 иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления приводного механизма, входящего в состав контроллера руки. [037] FIG. 6 illustrates a preferred embodiment of a drive mechanism included with a hand controller.
[038] Фиг. 7 иллюстрирует реализацию тензодатчика в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения. [038] FIG. 7 illustrates an implementation of a strain gauge in one embodiment of the present invention.
[039] Фиг. 8 иллюстрирует дельта-робот в сборе согласно настоящему изобретению. [039] FIG. 8 illustrates an assembled delta robot in accordance with the present invention.
[040] Фиг. 9 представляет собой конструкцию контроллера оператора, состоящую из контроллера руки, контроллера запястья и контроллера кисти. [040] FIG. 9 is an operator controller structure composed of a hand controller, a wrist controller, and a hand controller.
[041] Фиг. 10 схематично отражает схема управления контроллером. [041] FIG. 10 schematically shows the control circuit of the controller.
[042] Фиг. 11 схематически отражает плоскости, в которых осуществляются движения кисти оператора в лучезапястном суставе. [042] FIG. 11 schematically depicts the planes in which the movements of the operator's hand in the wrist joint are carried out.
Термины и определения Terms and Definitions
[043] Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе. [043] For a better understanding of the present invention, below are some of the terms used in the present description of the invention. Unless otherwise specified, technical and scientific terms in this application have the standard meanings generally accepted in the scientific and technical literature.
[044] В настоящем описании и в формуле изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е., в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из». [044] In the present description and in the claims, the terms "includes", "including" and "includes", "having", "equipped", "containing" and their other grammatical forms are not intended to be construed in an exclusive sense, but on the contrary, they are used in a non-exclusive sense (ie, in the sense of "having in its composition"). Only expressions of the type “consisting of” should be considered as an exhaustive list.
[045] В настоящих материалах заявки под терминами «роботизированный технологический комплекс», «роботизированная система», «роботизированный комплекс», «роботохирургический комплекс», «роботохирургическая система» понимают сложные системы или комплексы в хирургии с использованием ассистирующего робота во время операции. «Робот -ассистивные системы» или «робот-ассистированные хирургические системы» - это роботизированные системы, предназначенные для проведения медицинских операций. Это не автономные устройства. Робот- ассистивными системами при проведении операции управляют хирурги. [046] В настоящих материалах заявки под термином «мехатронный комплекс» или[045] In the present application materials, the terms “robotic technological complex”, “robotic system”, “robotic complex”, “robotic surgical complex”, “robotic surgical system” mean complex systems or complexes in surgery using an assisting robot during surgery. "Robot-assistive systems" or "robot-assisted surgical systems" are robotic systems designed to perform medical operations. These are not standalone devices. During the operation, the robotic assistive systems are controlled by surgeons. [046] In these application materials under the term "mechatronic complex" or
«мехатронная система» понимают комплекс или систему с компьютерным управлением движения, которые базируются на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов. "Mechatronic system" is understood as a complex or system with computer control of movement, which is based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science and computer control of the movement of machines and assemblies.
[047] В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами. [047] In this application, the term "operator" refers to the surgeon performing the operation. The terms "operator" and "surgeon" in the present description of the invention are synonymous.
[048] В настоящей заявке используются следующие термины для описания движений кисти в лучезапястном суставе (фиг. 11). Движения кисти происходят вокруг двух осей, когда кисть находится в анатомическом положении, т.е., в положении полной супинации. Поперечная ось АА' лежит во фронтальной плоскости Т и контролирует движения сгибания и разгибания, осуществляемые в сагиттальной плоскости: [048] In this application, the following terms are used to describe hand movements in the wrist joint (FIG. 11). The movements of the hand occur around two axes when the hand is in the anatomical position, i.e., in the position of complete supination. The transverse axis AA 'lies in the frontal plane T and controls the flexion and extension movements carried out in the sagittal plane:
- отклонение (девиация) кисти или флексия (стрелка 1) - передняя (ладонная) поверхность кисти движется к передней поверхности предплечья, - deviation (deviation) of the hand or flexion (arrow 1) - the front (palmar) surface of the hand moves to the front surface of the forearm,
- отклонение (девиация) кисти или экстензия (стрелка 2) - задняя (тыльная) поверхность кисти движется к задней поверхности предплечья. - deviation (deviation) of the hand or extension (arrow 2) - the posterior (dorsal) surface of the hand moves to the posterior surface of the forearm.
[049] Переднезадняя ось ВВ' лежит в сагиттальной плоскости S и контролирует движения приведения и отведения, происходящие во фронтальной плоскости: [049] The anteroposterior axis BB 'lies in the sagittal plane S and controls the adduction and abduction movements occurring in the frontal plane:
- приведение или локтевая девиация (стрелка 3) - перемещение кисти по направлению к продольной оси тела, ее внутренний (ульнарный) край образует тупой угол с внутренним краем предплечья;- adduction or elbow deviation (arrow 3) - movement of the hand towards the longitudinal axis of the body, its inner (ulnar) edge forms an obtuse angle with the inner edge of the forearm;
- отведение или лучевая девиация (стрелка 4) - перемещение кисти от продольной оси тела, ее наружный (лучевой) край образует тупой угол с наружным краем предплечья. - abduction or radial deviation (arrow 4) - movement of the hand from the longitudinal axis of the body, its outer (radial) edge forms an obtuse angle with the outer edge of the forearm.
[050] Продольная ось СС' лежит на пересечении плоскостей S и Т и контролирует движения вращения кисти: [050] The longitudinal axis CC 'lies at the intersection of the S and T planes and controls the rotation of the hand:
- поворот лучевой кости (стрелка 5) вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси. - rotation of the radius (arrow 5) together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis.
[051] Под термином «универсальный» в части его использования относительно контроллера в данном документе поднимают контроллер, который «оцифровывает» руку оператора и позволяет не тренировать руку оператора на каждый новый инструмент без последующих изменений конструкции контроллера. Освоив контроллер один раз, оператор использует его на протяжении длительного периода своей практики, благодаря свойству контроллера интегрироваться ("представлять" руку хирурга) в различных мехатронных устройствах. [051] Under the term "universal" in terms of its use in relation to the controller, this document raises a controller that "digitizes" the operator's hand and allows the operator's hand not to be trained for each new tool without further changes to the controller design. Having mastered the controller once, the operator uses it for a long period of his practice, thanks to the controller's property to integrate ("represent" the surgeon's hand) in various mechatronic devices.
[052] Под термином «абсолютное положение» в данной документе понимают координату, определенную относительно неподвижного элемента конструкции. [052] The term "absolute position" in this document means a coordinate defined with respect to a fixed structural member.
[053] Под термином «датчик поворота» в данном документе понимают устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта в электрические или аналоговые сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Для определения значения угла поворота того или иного элемента в принципе подходят все виды угловых датчиков. Однако, в большинстве используемых датчиков требуется, прежде всего, постоянная регистрация и сохранение текущих данных о повороте элемента. Датчики поворота могут быть использованы на основе инкрементальных и абсолютных энко деров. Датчики имеют цифровые выходные сигналы Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profmet и другие. Также могут быть использованы датчики на основе аналоговых датчиков угла поворота и/или магнитных датчиков угла поворота. [053] The term "rotation sensor" in this document means a device designed to convert the angle of rotation of a rotating object into electrical or analog signals, allowing you to determine the angle of rotation. To determine the angle value In principle, all types of angle encoders are suitable for turning one or another element. However, most of the sensors used require, first of all, permanent registration and storage of the current data on the rotation of the element. Rotary encoders can be used based on incremental and absolute encoders. The sensors have digital output signals Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profmet and others. Sensors based on analog steering angle sensors and / or magnetic steering angle sensors can also be used.
[054] Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.д. используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты. [054] In addition, the terms "first", "second", "third", etc. are used simply as conditional markers, without imposing any numerical or other restrictions on the enumerated objects.
[055] Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов). [055] The term "connected" means operatively connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.
Подробное описание изобретения Detailed description of the invention
[056] Описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенное ниже, приводится исключительно в качестве примера и предназначено для иллюстративных целей, и не предназначено для ограничения объема раскрываемого изобретения. [056] The description of exemplary embodiments of the present invention below is by way of example only and is intended for illustrative purposes, and is not intended to limit the scope of the disclosed invention.
[057] Система роботохирургического комплекса включает в себя три основных узла. Первый узлом являются контроллеры, служащие задающим устройством и с которыми непосредственно взаимодействует хирург. Вторым исполнительным узлом является манипуляторы, на которых установлены медицинские инструменты. В зависимости от выполняемой процедуры имеется возможность смены медицинского инструмента на необходимый для данной стадии операции. Третьим узлом роботохирургического комплекса является вычислительный блок, с помощью которого осуществляются все взаимодействия системы. [057] The system of the robotic surgical complex includes three main units. The first node is the controllers serving as a master device and with which the surgeon directly interacts. The second executive unit is manipulators on which medical instruments are installed. Depending on the procedure performed, it is possible to change the medical instrument to the one required for this stage of the operation. The third node of the robotic-surgical complex is the computing unit, with the help of which all interactions of the system are carried out.
[058] Роботохирургический комплекс может быть использован при проведении различных хирургических вмешательств, в том числе в урологии, гинекологии абдоминальной, нейро- и кардиохирургии. Пример роботохирургического комплекса приведен на фиг. 2. [058] The robotic surgical complex can be used for various surgical procedures, including urology, abdominal gynecology, neuro- and cardiac surgery. An example of a robotic surgical complex is shown in Fig. 2.
[059] Роботохирургический комплекс 300 имеет в составе по меньшей мере один манипулятор 310 с прикрепленным к нему хирургическим инструментом 320, электронный блок управления манипулятором 330 и интерфейс оператора 340, который получает команды от хирурга, преобразует их в движение хирургического инструмента 320 внутри тела пациента во время проведения хирургической операции и/или обеспечивает все управляющие команды от хирурга комплектующим роботохирургического комплекса. Главным источником команд является рука хирурга. Рука управляет контроллером хирурга, входящего в состав интерфейса хирурга. [059] The robotic system 300 includes at least one manipulator 310 with a surgical instrument 320 attached to it, an electronic control unit for the manipulator 330 and an operator interface 340 that receives commands from the surgeon, converts them into the movement of the surgical instrument 320 inside the patient's body in the time of the surgical operation and / or provides all the control commands from the surgeon with the components of the robotic surgical complex. The main source of commands is the surgeon's hand. The hand controls the surgeon controller, which is part of the surgeon interface.
[060] Контроллер хирурга преобразует механические движения руки по шести степеням свободы в команды для роботохирургического комплекса 300. Контролер формирует команду на перемещение манипулятора с хирургическим инструментом в пространстве. Дополнительно контроллер выполняет управление поворотом и/или отклонением хирургического инструмента относительно одной оси и открытием/закрытием бранша на хирургическом инструменте. [060] The surgeon's controller converts the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into commands for the robotic surgical system 300. The controller generates a command for moving a manipulator with a surgical instrument in space. Additionally, the controller controls the rotation and / or deflection of the surgical instrument about one axis and the opening / closing of the jaw on the surgical instrument.
[061] Обычно манипуляторы с хирургическим инструментом смонтированы на хирургическом столе, на котором лежит пациент при проведении операции. В некоторых вариантах осуществления манипуляторы могут быть помещены на тележку или какое-то другое приспособление, в котором манипуляторы будут находиться проксимальнее уровня пациента. Следует понимать, что роботохирургический комплекс 300 может иметь любое число манипуляторов, так, например, один или более манипуляторов. Манипуляторы могут иметь любую конфигурацию . [061] Typically, the manipulators with the surgical instrument are mounted on the surgical table on which the patient lies during the operation. In some embodiments, the manipulators can be placed on a cart or some other device in which the manipulators will be located proximal to the patient's level. It should be understood that the robotic system 300 can have any number of manipulators, such as one or more manipulators. The manipulators can be of any configuration.
[062] Каждый манипулятор 310 имеет корпус и узел манипулятора, к которому съемно присоединен хирургический инструмент 320, перемещением и ориентацией которого имеет возможность манипулировать хирург с помощью контроллера, который оцифровывает руку хирурга. [062] Each manipulator 310 has a manipulator body and assembly to which a surgical instrument 320 is detachably attached, the movement and orientation of which is manipulated by a surgeon using a controller that digitizes the surgeon's hand.
[063] Поскольку хирург может управлять движением и ориентацией хирургических инструментов, не удерживая инструмент непосредственно в руке, то хирург может использовать комплекс как в сидячем, так и стоячем положении. В качестве приспособления для сидячего положения комплекс может быть обеспечен креслом. [063] Since the surgeon can control the movement and orientation of the surgical instruments without holding the instrument directly in his hand, the surgeon can use the complex in either a sitting or standing position. As an adaptation for a seated position, the complex can be provided with a chair.
[064] Таким образом, контроллер управления, с которым взаимодействует рука хирурга, является важным звеном системы роботохирургического комплекса. Контроллер должен максимально точно и достаточно быстро считывать все совершаемые перемещения руки, запястья и кисти, не доставляя при этом дискомфорт хирургу. Так как проводимые хирургические вмешательства длятся часами, то в течение всего этого времени эргономика данного устройства должна быть максимально комфортной. [064] Thus, the control controller with which the surgeon's hand interacts is an important link in the system of the robotic surgical complex. The controller should read all the movements of the hand, wrist and hand as accurately and quickly enough without causing discomfort to the surgeon. Since the performed surgical interventions last for hours, during all this time the ergonomics of this device should be as comfortable as possible.
[065] Масштабируемость системы позволяет изменять амплитуду движения контроллера, которым управляет оператор, и преобразовывать движения контроллера, увеличивая/уменьшая их в процессе преобразования, в точные манипуляции медицинских инструментов в теле пациента. Оператор, управляя контроллером, тратит меньше энергии, что позволяет ему проводить более длительные манипуляции, при этом медицинские инструменты повторяют движения его рук. Чтобы увеличить масштабируемость и повысить точность данного устройства, необходимо использовать жесткие и точные кинематические схемы, которые обеспечат прецизионные движения хирургического инструмента. [065] The scalability of the system allows you to change the amplitude of motion of the controller, which is controlled by the operator, and transform the controller's movements, increasing / decreasing them during the transformation, into precise manipulations of medical instruments in the patient's body. The operator uses less energy by operating the controller, which allows him to carry out longer manipulations, while the medical instruments repeat the movements of his hands. To increase the scalability and accuracy of this device, it is necessary to use rigid and accurate kinematic schemes that will ensure the precision movement of the surgical instrument.
[066] Предлагаемое изобретение (контроллер) относится к классу механизмов, обеспечивающих преобразование в электронный цифровой сигнал команд, которые человек задает движением руки. Контроллер в целом состоит из управляющей ручки, блока-платформы позиционирования и цифрового блока управления. [066] The proposed invention (controller) relates to the class of mechanisms that provide conversion into an electronic digital signal of commands that a person sets with a movement of the hand. The controller as a whole consists of a control handle, a positioning platform unit and a digital control unit.
[067] Общий вид контроллера изображен на фиг. 3. Контроллер цифровой 1000 в целом состоит из управляющей ручки 1100, блока-платформы позиционирования 1200 и цифрового блока управления (не показан на чертеже). [067] A general view of the controller is shown in FIG. 3. Controller digital 1000 as a whole consists of a control handle 1100, a positioning platform unit 1200 and a digital control unit (not shown in the drawing).
[068] Указанный контроллер 1000 имеет контур прямой связи для того, чтобы задавать команды от оператора через движение его руки мехатронному устройству, и контур обратной связи для передачи в обратном порядке на руку оператора ответных команд-реакций от мехатронного устройства. Контур обратной связи контроллера 1000 предназначен для передачи на руку тактильных ощущений. [068] Said controller 1000 has a feed-forward loop for giving commands from the operator through the movement of his hand to the mechatronic device, and a feedback loop for transmitting in reverse order to the operator's hand the response commands-responses from the mechatronic device. The controller 1000's feedback loop is designed to convey tactile sensations to the hand.
[069] Контакт контроллера 1000 с рукой реализуется на управляющей ручке 1100.[069] Hand contact of the controller 1000 is implemented at the control handle 1100.
Управляющая ручка 1100 в целом состоит из контроллера кисти 100 и контроллеру запястья 200, каждый из которых обеспечивает две вращательные степени свободы контроллера 1000. The control handle 1100 generally consists of a hand controller 100 and a wrist controller 200, each of which provides two rotational degrees of freedom for the controller 1000.
[070] Блок - платформа позиционирования контроллера 1200 представляет собой контроллер руки, обеспечивающий три поступательные степени свободы контроллера 1000 путем возвратно- поступательного движения механизма контроллера 1000 по трем взаимно ортогональным осям. При этом на контроллере руки 1200 закреплен контроллер запястья 200, входящий в состав управляющий ручки контроллера 1100. Таким образом, контроллер оператора 1000 контролирует и преобразует в цифровой сигнал движения руки по шести степеням свободы. [070] The controller 1200 positioning platform unit is a hand controller that provides three translational degrees of freedom for the controller 1000 by reciprocating the mechanism of the controller 1000 along three mutually orthogonal axes. In this case, the controller of the hand 1200 is attached to the controller of the wrist 200, which is part of the control handle of the controller 1100. Thus, the controller of the operator 1000 controls and converts into a digital signal of the movement of the hand in six degrees of freedom.
[071 ] Контроллер руки (или блок-платформа позиционирования) состоит из по меньшей мере двух платформ: неподвижной опорной и подвижной, - и блока позиционирования. К неподвижной опорной платформе прикреплена подвижная платформа посредством механизма компенсации веса, включающего блок позиционирования, выполненный на принципах параллельной структуры, предпочтительно, на основе механизма типа «дельта» (дельта-робота или дельтапода), и приводного механизма, который приводит в движение дельта-робот, обеспечивая при этом минимальный люфт. [072] Механизм параллельной структуры может быть использован любой. В предпочтительном варианте осуществления контроллера согласно заявляемому изобретению блок позиционирования представляет собой замкнутую кинематическую цепь, состоящую из штанг постоянной длины, расположенных попарно параллельно и соединенных одними концами с соответствующими приводами, закрепленными на неподвижной опорной платформе, а другими концами - с подвижной платформой. Дельта-механизмы обладают повышенной маневренностью и расширенной границей рабочей зоны. [071] The hand controller (or positioning platform block) consists of at least two platforms: a fixed support and a movable one, and a positioning block. A movable platform is attached to the fixed support platform by means of a weight compensation mechanism including a positioning unit made on the principles of a parallel structure, preferably based on a delta type mechanism (delta robot or deltapod), and a drive mechanism that drives the delta robot while ensuring minimal backlash. [072] The parallel structure mechanism can be used by anyone. In a preferred embodiment of the controller according to the claimed invention, the positioning unit is a closed kinematic chain consisting of rods of constant length, arranged in pairs in parallel and connected at one end with the corresponding drives fixed on a fixed support platform, and at the other ends with a movable platform. Delta mechanisms have increased maneuverability and an extended working area boundary.
[073] Более того, контроллер на основе механизма параллельной структуры в сравнении с контроллерами последовательной структуры и иными контроллерами имеет значительно меньший вес и размер, при одновременно большей точности, жесткости и мощности. [073] Moreover, the controller based on the parallel structure mechanism, in comparison with the sequential structure controllers and other controllers, has a significantly lower weight and size, while at the same time greater accuracy, rigidity and power.
[074] На фиг. 4 изображен конкретный вариант исполнения дельта-робота 400 согласно одному из вариантов настоящего изобретения. Дельта-робот представляет собой вид параллельного робота, который состоит из трех рычагов 410, расположенных под углом 120° относительно друг друга и прикрепленных к опорной платформе 420. [074] FIG. 4 depicts a specific embodiment of a delta robot 400 in accordance with one embodiment of the present invention. A delta robot is a form of a parallel robot that consists of three arms 410 positioned at 120 ° relative to each other and attached to a support platform 420.
[075] Преимуществом конструкции дельта-робота 400 является использование параллелограммов 440, содержащих штанги постоянной длины, расположенные попарно параллельно и соединенные между собой с помощью карданных шарниров 450. Параллелограммы 440 одним концом соединены за соответствующие рычаги 410, а вторым концом связаны с подвижной платформой 430. Такая конструкция позволяет сохранять пространственную ориентацию механизмов робота. При этом подвижная платформа 430 всегда расположена параллельно опорной платформе 420. [075] An advantage of the design of the delta robot 400 is the use of parallelograms 440 containing rods of constant length, arranged in pairs in parallel and connected to each other using cardan joints 450. Parallelograms 440 are connected at one end by the corresponding levers 410, and at the other end are connected to a movable platform 430. This design allows you to maintain the spatial orientation of the robot mechanisms. In this case, the movable platform 430 is always parallel to the supporting platform 420.
[076] Соединение рычагов 410 с опорной платформой 420 производится через верхние подшипниковые узлы 460 (фиг. 5), чтобы обеспечить необходимые углы для исходного состояния дельта-робота. Верхние подшипниковые узлы 460 закреплены на опорной платформе 420. Установленные на верхние подшипниковые узлы 460 рычаги 410 на центрах соединения образуют равносторонний треугольник 470, углы которого влияют на размер полезной рабочей области дельта-робота. За перемещения по оси Z отвечает рычаги 410. Увеличивая длину рычага 410, увеличивается ход по оси Z. Размеры при перемещении по осям X и Y задаются параллелограммами 440. [076] The connection of the arms 410 to the support platform 420 is made through the upper bearing assemblies 460 (Fig. 5) to provide the necessary angles for the initial state of the delta robot. The upper bearing assemblies 460 are fixed on a support platform 420. Mounted on the upper bearing assemblies 460, the levers 410 form an equilateral triangle 470 at the connection centers, the angles of which affect the size of the useful working area of the delta robot. Levers 410 are responsible for movement along the Z axis. By increasing the length of the lever 410, the stroke along the Z axis increases. The dimensions when moving along the X and Y axes are set by parallelograms 440.
[077] Приводной механизм контроллера, который приводит в движение блок позиционирования контроллера, в частности, рычаги 410, может выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов при работе механизма. В предпочтительном варианте осуществления контроллера согласно заявляемому изобретению приводной механизм может быть выполнен как кривошипно-шатунный механизм. Он приводится в движение с помощью шарико-винтовой передачи, исполняющей вращательные движения за счет сервопривода с встроенным электромагнитным тормозом и датчиком положения углов. Сервопривод - электромеханическое устройство, которое осуществляет динамические движения с постоянным контролем угла поворота вала, а также предоставляет возможность управления угловыми скоростями в различных исполнительных устройствах. В зависимости от получаемого на управляемый вход сервопривода значения управляющего параметра в результате сравнения данного параметра со значением датчика положения углов (энкодера) или с математической моделью (алгоритм вычислений вшит в памяти частотного преобразователя) изменяются параметры работы электропривода и осуществляется некоторое корректирующее действие для сервомотора (или серия действий), например: поворот вала, ускорение или замедление, так, чтобы значение с датчика положения стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра. Используемый тип сервопривода может быть любым. В некоторых вариантах осуществления изобретения используется интегрированный сервопривод. [077] The controller drive mechanism that drives the controller positioning unit, in particular the levers 410, may be any known mechanism that can reduce the loss of accuracy due to backlash during operation of the mechanism. In a preferred embodiment of the controller according to the claimed invention, the drive mechanism can be designed as a crank mechanism. It is driven by a ball screw, which performs rotational movements by a servo drive with a built-in electromagnetic brake and an angle position sensor. Servo drive is an electromechanical device that carries out dynamic movements with constant control of the angle of rotation of the shaft, and also provides the ability to control angular speeds in various actuators. Depending on the value of the control parameter received at the controlled input of the servo drive, as a result of comparing this parameter with the value of the angle position sensor (encoder) or with a mathematical model (the calculation algorithm is sewn into the memory of the frequency converter), the parameters of the operation of the electric drive change and some corrective action is taken for the servo motor (or a series of actions), for example: turning the shaft, accelerating or decelerating, so that the value from the position sensor becomes as close as possible to the value of the external control parameter. The type of servo used can be anything. In some embodiments, an integrated servo is used.
[078] В некоторых вариантах осуществления контроллера в качестве приводного механизма может быть использован любой известный безлюфтовой редуктор с нулевым механическим люфтом, например, безлюфтовый прецизионный редуктор, предпочтительно волнового типа или планетарный редуктор с угловым люфтом менее 6’. [078] In some embodiments of the controller, any known backlash-free gearbox with zero mechanical backlash can be used as the drive mechanism, for example, a backlash-free precision gearbox, preferably wave type or planetary gearbox with angular backlash less than 6 '.
[079] Приводной механизм воздействует на опору 480, противоположную от закрепления штанг параллелограмма 440 часть рычага 410 (фиг.5). [079] The actuator acts on the support 480 opposite to the anchorage rods parallelogram 440 part of the lever 410 (figure 5).
[080] Конкретный вариант исполнения приводного механизма контроллера согласно настоящему изобретению приведен на фиг.6. [080] A specific embodiment of a controller drive mechanism according to the present invention is shown in FIG. 6.
[081] Приводной механизм 500 включает сервопривод 510 с шарико-винтовой передачей и кривошипно-шатунным механизмом. В зависимости от шага шарико-винтовой передачи и радиуса кривошипа можно увеличить или уменьшить передаточное число приводного механизма. [081] The actuator 500 includes a ball screw servo 510 with a crank mechanism. Depending on the pitch of the ball screw and the radius of the crank, the gear ratio of the drive train can be increased or decreased.
[082] Передача момента осуществляется следующим образом. Сервопривод 510 через соединительную муфту 530 соединяется с валом 520 шарико -винтовой передачи и приводит его во вращательные перемещения. При этом гайка 540 шарико-винтовой передачи совершает поступательные движения. Гайка 540 крепится к направляющей платформе 550, которая установлена на линейных подшипниках 580, которые ходят по цилиндрическим направляющим 570. Направляющая платформа 550 имеет нижние подшипниковые узлы 560, на которых базируется элемент криво-шатунного механизма (шатун) 590. Таким образом, кривошипный механизм переводит поступательные движения направляющей платформы 550 во вращательные движения рычага 410. [082] The transmission of torque is carried out as follows. The servo drive 510 through the coupling 530 is connected to the ball screw shaft 520 and drives it into rotational movements. In this case, the nut 540 of the ball screw makes translational movements. The nut 540 is attached to the guide platform 550, which is mounted on linear bearings 580, which run on the cylindrical guides 570. The guide platform 550 has lower bearing assemblies 560, on which the crank mechanism element (connecting rod) 590 is based. Thus, the crank mechanism translates translational movements of the guide platform 550 into the rotational movements of the lever 410.
[083] У кривошипно-шатунного механизма есть отрицательные положения углов, при которых передача поступательно-вращательного движения проходит нелинейно. Этот эффект проявляется на малых углах оси кривошипа относительно оси шатуна - так называемые мертвые точки, при которых начинается нелинейность передачи движения. Угол равен 90° около верхней мертвой точки, и столько же - у нижней мертвой точки. Однако, в предложенной конструкции приводного механизма согласно настоящему изобретению у кривошипа нет необходимости совершать оборот вокруг своей оси. [083] The crank mechanism has negative angular positions at which the transmission of translational-rotational motion is non-linear. This effect manifests itself at small angles of the crank axis relative to the connecting rod axis - the so-called dead points, at which the nonlinearity of the movement transmission begins. The angle is 90 ° near the top dead center and the same at the bottom dead center. However, in the proposed construction of the drive mechanism according to the present invention, the crank does not need to rotate around its axis.
[084] Линейность передачи поступательно-вращательного движения обеспечивается при передаточном числе, лежащим в диапазоне от 40: 1 до 60: 1, при этом размер хода шатуна варьируется от 75 мм до 85 мм и радиус кривошипа лежит в диапазоне от 35 мм до 45 мм. [084] The linearity of the translational-rotational movement is ensured with a gear ratio lying in the range from 40: 1 to 60: 1, while the size of the connecting rod stroke varies from 75 mm to 85 mm and the radius of the crank is in the range from 35 mm to 45 mm ...
[085] Расчет кинематики дельта-робота осуществлялся исходя из необходимости решения двух задач - обратной и прямой кинематики. В первой ситуации известна позиция, куда требуется переместить подвижную часть дельта-робота. Для этого следует определить величины углов, на которые необходимо повернуть оси рычагов 410, чтобы переместиться в желаемую точку в пространстве обозначенную координатами (х, у, z). Поэтому, определения этих углов называется обратной задачей кинематики. [085] The calculation of the kinematics of the delta robot was carried out based on the need to solve two problems - inverse and forward kinematics. In the first situation, the position where you want to move the movable part of the delta robot is known. To do this, it is necessary to determine the values of the angles by which it is necessary to rotate the axes of the levers 410 in order to move to the desired point in space indicated by the coordinates (x, y, z). Therefore, determining these angles is called the inverse kinematic problem.
[086] Во второй ситуации, при известности углов, на которые повернуты рычаги 410 относительно оси крепления к основанию (в рассматриваемом варианте осуществления изобретения, за счет использования сервоприводов, можно легко понять, считав датчики положения углов), требуется определить положение подвижной платформы дельта-робота в пространстве. Описанная задача является задачей прямой кинематики. [086] In the second situation, with the knowledge of the angles at which the levers 410 are rotated relative to the axis of attachment to the base (in the considered embodiment of the invention, due to the use of servos, it can be easily understood by reading the angle position sensors), it is required to determine the position of the movable platform delta robot in space. The described problem is a direct kinematics problem.
[087] Кинематика дельта-робота контроллера согласно настоящему изобретению обладает достаточно жесткими и точными несущими способностями. [087] The kinematics of the delta robot controller according to the present invention has sufficiently rigid and accurate bearing capacities.
[088] На цилиндрических направляющих 570 между подвижной платформой 430 и направляющей платформой 550 установлена и закреплена тензоплатформа 610, которая выполнена с возможностью получения цифровой информации в трехмерном пространстве о прикладываемой силе, векторе приложения силы и ускорении приложения силы, передаваемой на кисть от предплечья и иных, вышерасположенных частей руки оператора во время управления мехатронным комплексом. На тензоплатформе 610 установлены тензометрические датчики (тензодатчики) 600 для точного и эффективного определения прикладываемых сил со стороны оператора, которые передаются на тензоплатформу через подшипниковые узлы 620. Тензодатчики 600 преобразуют величину деформации в электрический сигнал. [088] On the cylindrical guides 570 between the movable platform 430 and the guide platform 550, a strain-gauge platform 610 is installed and fixed, which is configured to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of force application and the acceleration of the force applied to the hand from the forearm and other , the upper parts of the operator's hand during the control of the mechatronic complex. The strain gauge 610 is equipped with strain gauges (strain gauges) 600 to accurately and efficiently determine the applied forces from the operator, which are transmitted to the strain gauge platform through the bearing assemblies 620. Strain gauges 600 convert the amount of deformation into an electrical signal.
[089] Конструкция используемых тензодатчиков 600 более подробно изображена на фиг.8.[089] The design of the strain gauges 600 used is illustrated in more detail in FIG. 8.
Тензодатчик 600 в одном из вариантов осуществления изобретения - это вытянутый параллелепипед с квадратным сечением, у которого на концах имеются крепежные отверстия 630. По центру на одной из плоскостей, которая расположена перпендикулярно поверхности с крепежными отверстиями 630, предусмотрено сквозное отверстие 640 в виде знака «восьмерки». Отверстие 640 выполнено таким образом, чтобы обеспечить возможность изгиба тензодатчика 600 по краям выреза. На поверхностях с крепежными отверстиями 630 с обеих сторон тензодачика над сквозным отверстием 640 приклеиваются по паре тонкопленочных тензорезисторов 651 (на фиг.7 пара тензорезисторов расположена под крышкой и детально не изображена). Четыре тонкоплёночных тензорезистора, соединены по мостовой схеме, поэтому тензодатчик 600 имеет 4 вывода 652. Для преобразования величины сопротивлений с выхода тензодатчика в двоичный код, применяется аналого-цифровой преобразователь (не показан на чертеже). Тензодатчик 600, с одной стороны, своим подвижным концом соединен с корпусом опорного подшипника 620, а с другой стороны, другим концом соединен с тензоплатформой 610 через подшипниковый узел тензоплатформы 660. Load cell 600, in one embodiment, is an elongated square parallelepiped that has fastening holes 630 at its ends. A through hole 640 is provided in the center of one of the planes that is perpendicular to the surface with fastening holes 630. ". The opening 640 is configured to allow the strain gauge 600 to bend around the edges of the cutout. On surfaces with mounting holes 630 on both sides of the strain gauge above the through hole 640, a pair of thin-film strain gauges 651 are glued (in Fig. 7, a pair of strain gauges is located under the cover and is not shown in detail). Four thin-film strain gauges are bridge-connected, so the strain gauge 600 has 4 pins 652. To convert the resistance value from the strain gauge output to binary code, an analog-to-digital converter (not shown in the drawing) is used. The load cell 600, on the one hand, is connected with its movable end to the support bearing housing 620, and on the other hand, the other end is connected to the load cell 610 through the bearing assembly of the load platform 660.
[090] Тензодатчики 600 расположены на тензоплатформе 610 и сопряжены с каждой шарико- винтовой передачей, а именно, с валом шарико -винтовой передачи, через опорные подшипниковые узлы 620. [090] Load cells 600 are located on strain gauge 610 and interface with each ball screw, namely the ball screw shaft, via support bearing assemblies 620.
[091] При возникновении усилий со стороны оператора механическая сила, прикладываемая оператором и передаваемая от предплечья на кисть оператора, проходит через подвижную платформу 430 по штангам параллелограммов 440 равной длины, расположенным попарно параллельно и соединенными одними концами за приводной кривошипно-шатунный механизм. Кривошипно-шатунный механизм, в свою очередь, соединен с шарико -винтовой передачей. В частности, рычаг 410 соединен с верхним подшипниковым узлом 460 и через шатун 590 с нижним подшипниковым узлом 560. Таким образом, вращательные движения рычага 410 переводятся в поступательные движения направляющей платформы 550 (см. фиг.6), на которой установлены нижние подшипниковые узлы 560 и гайка 540 шарико -винтовой передачи. Поступательные движения от гайки 540 передаются во вращательные движения вала 520 шарико-винтовой передачи, который воздействует на опорный подшипниковый узел 620. Следовательно, через шарико- винтовую передачу кривошипно-шатунный механизм действует на опорно-подшипниковый узел 620. Установленный тензодатчик 600 на тензоплатформе 610 своим подвижным концом соединен с корпусом опорного подшипника 620. Тензодатчик 600 преобразует величину деформации в электрический сигнал и передает его через свои выходы на цифровой блок управления контроллером (не показан на чертеже). [091] When forces are generated by the operator, the mechanical force applied by the operator and transmitted from the forearm to the operator's hand passes through the movable platform 430 along the parallelogram rods 440 of equal length, arranged in pairs in parallel and connected at one end behind the drive crank mechanism. The crank mechanism, in turn, is connected to a ball screw drive. In particular, the lever 410 is connected to the upper bearing unit 460 and through the connecting rod 590 to the lower bearing unit 560. Thus, the rotational movements of the lever 410 are translated into translational movements of the guide platform 550 (see Fig. 6), on which the lower bearing units 560 are mounted and ball screw nut 540. Translational the movements from the nut 540 are transmitted to the rotational movements of the ball screw shaft 520, which acts on the support bearing unit 620. Therefore, through the ball screw, the crank mechanism acts on the support and bearing unit 620. The load cell 600 installed on the load cell 610 with its movable end connected to the support bearing housing 620. Load cell 600 converts the amount of deformation into an electrical signal and transmits it through its outputs to a digital controller control unit (not shown in the drawing).
[092] Цифровой блок управления контроллером в свою очередь на основании полученного сигнала по заданной программе рассчитывает траекторию перемещения дельта-робота по трем линейным координатам и при помощи сервоприводов перемещает блок позиционирования в требуемую позицию. Например, цифровой блок управления может быть выполнен с возможностью сравнения получаемого значения сигнала о деформации, а следовательно, о перемещении, с заранее заданным значением, которое определяет положение дельта-робота в равновесии и подачи такого управляющего сигнала на сервопривод, чтобы значение с датчика положения углов стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра. Такой механизм позволяет реализовать механизм регулируемого противодействия естественному опусканию дельта-робота под воздействием силы тяжести подвижных частей контроллера - систему «виртуального веса» (СВВ). СВВ позволяет регулировать вес, ощущаемый человеком на управляющей ручке контроллера в диапазоне от фактического 100% - до 0% - «нулевая плавучесть». [092] The digital controller control unit, in turn, based on the received signal according to a given program, calculates the trajectory of the delta robot along three linear coordinates and moves the positioning unit to the required position using servo drives. For example, the digital control unit can be configured to compare the received value of the signal about deformation, and therefore about displacement, with a predetermined value, which determines the position of the delta robot in equilibrium and supplying such a control signal to the servo drive so that the value from the angle position sensor became as close as possible to the value of the external control parameter. Such a mechanism makes it possible to implement a mechanism of controlled counteraction to the natural lowering of the delta-robot under the influence of the gravity of the moving parts of the controller - the “virtual weight” system (SVV). UHV allows you to adjust the weight felt by a person on the control handle of the controller in the range from the actual 100% - to 0% - "zero buoyancy".
[093] Система «виртуального веса» мультиплицирует величину усилия прикладываемую рукой оператора к управляющей ручке контроллера, что позволяет индивидуально подбирать и всегда обеспечивать комфортное и постоянное для человека усилия при воздействии на контроллер независимо от размера и веса составляющих контроллера деталей. [093] The "virtual weight" system multiplies the amount of force applied by the operator's hand to the control handle of the controller, which allows you to individually select and always provide a comfortable and constant force for a person when acting on the controller, regardless of the size and weight of the components of the controller.
[094] Цифровой блок управления контроллером сконфигурирован и построен таким образом, что позволяет сосредоточить максимум усилий на алгоритмах управления высокого уровня, освобождая пользователя от необходимости разработки и отладки устройств и приложений для управления отдельными сервоприводами. Цифровой блок управления контроллером имеет возможность записи всех управляющих команд и передачи их на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. [094] The digital control block of the controller is configured and built in such a way that allows you to focus maximum effort on high-level control algorithms, freeing the user from the need to develop and debug devices and applications to control individual servo drives. The digital control unit of the controller has the ability to record all control commands and transmit them to the numerical control system (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer.
[095] Таким образом, конфигурация контроллера руки позволяет перемещать его рукой оператора по трем линейных координатам, не затрачивая значительных сил руки оператора, компенсируя недостающую силу работой исполнительных двигателей, управляемых сигналами от цифрового блока управления контроллера для получения точных координат положения кисти от перемещения предплечья и иных, вышерасположенных частей руки оператора-хирурга по как минимум трем степеням свободы и компенсации веса контроллера руки в статике или при движении. [095] Thus, the configuration of the hand controller makes it possible to move it by the operator's hand along three linear coordinates without spending significant forces on the operator's hand, compensating for the lack of force by the operation of the actuator motors controlled by signals from the digital control unit of the controller to obtain accurate coordinates of the hand position from the movement of the forearm and other, higher-lying parts of the hand of the operator-surgeon at least three degrees of freedom and compensation for the weight of the hand controller in statics or during movement.
[096] Контроллер может быть использован в качестве тренажера для отработки тех или иных действий. Для этого управление осуществляется согласно заранее составленной и остающейся неизменной в текущем процессе управляющей программе. Сигнал с системы числового программного управления (ЧПУ) поступает на цифровой блок управления контроллером, который на основе заданного алгоритма управляет механизмом приводов соответствующим образом для того, чтобы перевести блок позиционирования с подвижной площадкой в нужные координаты. [097] В некоторых вариантах реализации контроллера согласно изобретению цифровой блок управления контроллером может обеспечивать сопротивление/противодействие руке человека с заданными/расчетными усилиями и ускорениями путем подачи управляющего сигнала на приводной механизм, который может быть оснащены электромагнитными тормозами. Механизм сопротивления/противодействия может быть включен постоянно путем подачи сигнала с системы числового программного управления (ЧПУ) контроллера на цифровой блок управления контроллером и на электромагнитные тормоза приводного механизма соответственно. [096] The controller can be used as a simulator for practicing certain action. For this, the control is carried out according to a control program that has been prepared and remains unchanged in the current process. The signal from the numerical control system (CNC) is fed to the digital control unit of the controller, which, based on a predetermined algorithm, controls the drive mechanism accordingly in order to translate the positioning unit with the moving platform into the desired coordinates. [097] In some embodiments of the controller according to the invention, the digital controller control unit of the controller can provide resistance / resistance to a human hand with predetermined / calculated forces and accelerations by supplying a control signal to a drive mechanism that can be equipped with electromagnetic brakes. The resistance / reaction mechanism can be constantly activated by sending a signal from the numerical control system (CNC) of the controller to the digital control unit of the controller and to the electromagnetic brakes of the drive mechanism, respectively.
[098] Перед каждым использованием контроллера руки происходит его калибровка под пользователя. Контроллер руки обладает гибкими настройками, что позволяет его ориентировать под разные задачи. При пользовании контроллером его можно полностью адаптировать под оператора и его задачи. [098] Before each use of the hand controller, it is calibrated for the user. The hand controller has flexible settings, which allows it to be oriented for different tasks. When using the controller, it can be fully adapted to the operator and his tasks.
[099] Таким образом, усовершенствованная конструкция контроллера руки, входящая в состав контроллера управления роботохирургическим комплексом позволяет совершать более точные движения рук хирурга. Так, применения дельта кинематики обеспечивает высокую жесткость конструкции, что приводит к более точному измерению сигналов о положении в пространстве руки оператора. Разработка приводного механизма дельта робота с использованием шарико-винтовой передачи и кривошипно-шатунного механизма обеспечила прецизионную точность перемещения поступательных степеней свободы и позволила улучшить масштабируемость системы. Использования танзодатчиков в качестве датчиков силы дает возможность получения цифровой информации в трехмерном пространстве о прикладываемой силе, векторе приложения силы и ускорении приложения силы во время управления роботохирургическим комплексом. [099] Thus, the improved design of the hand controller, which is part of the control controller of the robotic surgical complex, allows more precise movements of the surgeon's hands. Thus, the use of delta kinematics provides a high rigidity of the structure, which leads to a more accurate measurement of signals about the position in space of the operator's hand. The development of a delta robot drive mechanism using a ball screw and a crank mechanism ensured precise movement of the translational degrees of freedom and improved the scalability of the system. The use of tanzo sensors as force sensors makes it possible to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of force application and the acceleration of force application during control of the robotic surgical complex.
[100] На фиг. 9 изображен перспективный вид контроллера управляения мехатронными устройствами, позволяющий считывать шесть степеней свободы и состоящий из контроллера руки, контролера запястья и контроллера кисти. [100] FIG. 9 is a perspective view of a mechatronic device controller that reads six degrees of freedom and consists of a hand controller, a wrist controller, and a hand controller.
[101] Контроллер запястья прикрепляется к подвижной платформе контроллера кисти. Главным предназначением контроллера запястья является реализация контакта и взаимодействия с запястьем оператора и обеспечение, по меньшей мере, двух вращательных степеней свободы для реализации ориентации элемента мехатронного комплекса в ответ на поворот запястья оператора, так и для передачи усилий на запястье оператора при симуляции того или иного действия для обучения оператора. [101] The wrist controller is attached to the moveable platform of the hand controller. The main purpose of the wrist controller is to implement contact and interaction with the operator's wrist and provide at least two rotational degrees of freedom to implement the orientation of the mechatronic complex element in response to the rotation of the operator's wrist, and to transfer forces to the operator's wrist when simulating a particular action for operator training.
[102] Контроллер запястья выполнен с возможностью наиболее точно на всей амплитуде точно определять угол поворота запястья в двух ортогональных направлениях относительно заданного центра вращения (относительно места крепления контроллера запястья к контроллеру руки) для получения цифровой информации о поворотах в запястье руки оператора во время управления мехатронным комплексом. Конструкция контроллера запястья ограничена и задана физиологическим углом возможного поворота запястьем кисти в этих плоскостях. [102] The wrist controller is designed to be most accurate across the entire amplitude accurately determine the angle of rotation of the wrist in two orthogonal directions relative to a given center of rotation (relative to the place of attachment of the wrist controller to the hand controller) to obtain digital information about the turns in the operator's wrist during control of the mechatronic complex. The design of the wrist controller is limited and specified by the physiological angle of the possible rotation of the wrist in these planes.
[103] Контроллер запястья имеет в составе по меньшей мере два блока: блок механизма поворота и блок подвижной консоли, каждый из которых обеспечивают две степени свободы запястья, - и по меньшей мере один блок управления контроллера запястья. [103] The wrist controller has at least two units: a pivot unit and a movable console unit, each of which provides two degrees of freedom for the wrist, and at least one wrist controller control unit.
[104] Блок механизма поворота закреплен на контроллере руки 1200 таким образом, чтобы иметь возможность вращения относительно продольной оси контроллера руки 1200, обеспечивая при этом одну степень свободы контроллера кисти. Для кисти такой поворот блока механизма поворота - обычный поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси (на фиг.11 данный поворот вокруг оси СС обозначен цифрой 5). Структура блока подвижной консоли обеспечивает одну степень свободы относительно блока механизма поворота. При этом кисть совершает качательное движение относительно переднезадней оси ВВ' во фронтальной плоскости Т (движения обозначены стрелкой 3 и стрелкой 4 на фиг.11). Амплитуда этих движений измеряется от оси кисти. Объем этого движения может варьировать от 30° до 55° в зависимости от физиологических возможностей оператора. [104] The pivot mechanism assembly is attached to the hand controller 1200 so as to be rotatable about the longitudinal axis of the hand controller 1200 while providing one degree of freedom for the hand controller. For the hand, such a rotation of the rotation mechanism unit is the usual rotation of the radius together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis (in Fig. 11, this rotation around the CC axis is indicated by the number 5). The structure of the movable arm block provides one degree of freedom relative to the swing mechanism block. In this case, the hand makes a rocking motion relative to the anteroposterior axis BB 'in the frontal plane T (movements are indicated by arrow 3 and arrow 4 in Fig. 11). The amplitude of these movements is measured from the axis of the hand. The amount of this movement can vary from 30 ° to 55 ° depending on the physiological capabilities of the operator.
[105] Использование по меньшей мере одного датчика определения угла поворота для каждой вращательной степени свободы позволяет определять абсолютное положение угла наклона контроллера запястья. В некоторых вариантах осуществления в дополнение к датчикам поворота для определения абсолютного положения того или иного элемента, входящих в состав контроллера, указанные элементы могут быть оснащены тахометрами, измерителями ускорения и нагрузочными элементами индикации силы, каждый из которых может обеспечивать электрические сигналы, относящиеся к скорости, ускорению и силе, прилагаемым к соответствующему элементу. [105] The use of at least one sensor for detecting the angle of rotation for each rotational degree of freedom allows the absolute position of the angle of inclination of the wrist controller to be determined. In some embodiments, in addition to rotary sensors for determining the absolute position of a controller element, these elements may be equipped with tachometers, accelerometers and force load indicators, each of which may provide electrical signals related to speed, acceleration and force applied to the corresponding element.
[106] Для считывания данных с датчиков определения угла поворота и осуществления поворота блока подвижной консоли и/или блока механизма поворота контроллер кисти включает приводные элементы. [106] To read data from the rotation angle detection sensors and to rotate the movable arm unit and / or the rotation mechanism unit, the hand controller activates the drive elements.
[107] Для определения координат кистевого аппарата хирурга в составе контроллера оператора управления мехатронным комплексом используют контроллер кисти. Контроллер кисти предназначен для контакта и взаимодействия с кистью хирурга и наиболее точно, на всей амплитуде движения руки и при всех углах движения рук, контролирует как минимум один угол поворота кисти руки, который является углом отклонения кисти (движение кисти обозначено стрелкой 1 и стрелкой 2 на фиг. 11) в лучезапястном суставе в сагиттальной плоскости относительно поперечной оси, лежащей во фронтальной плоскости, и перемещение, взаимоположение друг относительно друга как минимум двух пальцев, преобразуя эту информацию в цифровой сигнал. [107] To determine the coordinates of the surgeon's hand apparatus, a hand controller is used as part of the operator's controller for controlling the mechatronic complex. The hand controller is designed for contact and interaction with the surgeon's hand and most accurately, over the entire range of hand movement and at all angles of hand movement, it controls at least one angle of rotation of the hand, which is the angle of deflection of the hand (movement of the hand is indicated by arrow 1 and arrow 2 on Fig. 11) in the wrist joint in the sagittal plane relative to the transverse axis lying in the frontal plane, and movement, relative position of at least two fingers relative to each other, converting this information into a digital signal.
[108] Дополнительно контроллер кисти обеспечивает минимальную нагрузку веса на кисть оператора при управлении, имеет и реализует канал обратной связи от элемента роботизированного технологического комплекса или системы управления в целом, преобразуя цифровой управляющий сигнал в механическое перемещение, такое как отклонение кисти руки (девиация) оператора в сагиттальной плоскости относительно поперечной оси кисти и/или механическое перемещение как минимум двух пальцев оператора. [108] Additionally, the hand controller ensures minimal weight load on the hand operator during control, has and implements a feedback channel from an element of a robotic technological complex or a control system as a whole, converting a digital control signal into mechanical movement, such as deviation of the hand (deviation) of the operator's hand in the sagittal plane relative to the transverse axis of the hand and / or mechanical movement at least two fingers of the operator.
[109] Контроллер кисти характеризуется тем, что содержит рукоятку с пальцевыми схватами. Рукоятка имеет корпус, охватываемый и удерживаемый оператором во время работы. Пальцевые схваты выполнены с возможностью расположения на них пальцев оператора во время работы. Контроллер кисти включает датчики поворота пальцевых схватов для определения абсолютного положения пальцевых схватов относительно оси вращения пальцевых схватов и датчик поворота рукоятки для определения абсолютного положения рукоятки относительно ее продольной оси, приводные элементы рукоятки и пальцевых схватов, блок управления контроллером запястья. [109] The hand controller is characterized in that it contains a grip with finger grips. The handle has a body that is gripped and held by the operator during operation. Finger grips are made with the possibility of placing the operator's fingers on them during operation. The hand controller includes sensors for the rotation of the finger grips to determine the absolute position of the finger grips relative to the axis of rotation of the finger grips and a handle rotation sensor to determine the absolute position of the handle relative to its longitudinal axis, drive elements of the handle and finger grips, and a wrist controller control unit.
[110] При возникновении усилий со стороны оператора контроллер кисти контролирует и оцифровывает отклонение кисти оператора в сагиттальной плоскости относительно поперечной оси кисти, находящейся во фронтальной плоскости (девиация кисти в лучезапястном суставе), а также положение (приближение/смыкание/удаление) как минимум двух пальцев, охватывающих вместе с кистью оператора рукоятку контроллера кисти в области пальцевых схватов. [110] When forces are generated by the operator, the hand controller monitors and digitizes the deviation of the operator's hand in the sagittal plane relative to the transverse axis of the hand located in the frontal plane (deviation of the hand in the wrist joint), as well as the position (approach / closure / removal) of at least two grasping the grip of the hand controller together with the operator's hand in the area of the finger grips.
[111] При повороте рукоятки кистью руки оператора датчик поворота рукоятки формирует цифровой сигнал об угле поворота и передает его в блок управления контроллера кисти, который рассчитывает угол отклонения рукоятки относительно ее продольной оси и передает эту информацию в цифровой блок управления контроллером, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. [111] When the handle is rotated by the operator's hand, the handle rotation sensor generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the hand controller, which calculates the angle of deflection of the handle relative to its longitudinal axis and transmits this information to the digital control unit of the controller, which is configured transmission of the received signals to the numerical control system (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer.
[112] Пальцевые схваты работают в сочетании. В одном из вариантов осуществления один пальцевой схват выполнен за одно целое с корпусом рукоятки и неподвижен относительно него. Другой пальцевой схват подвижен и имеет один поворот, вращаясь вокруг своей оси, совпадающей с продольной осью рукоятки. Во время работы датчик поворота пальцевых схватов считывает угол поворота подвижного пальцевого охвата вокруг своей оси вращения и передает цифровой сигнал в блок управления контроллера кисти, который рассчитывает его положение относительно неподвижного пальцевого охвата и передает эту информацию на цифровой контроллер, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. [112] Finger grips work in combination. In one embodiment, one finger grip is integral with the handle body and is stationary relative thereto. The other finger grip is movable and has one turn, rotating around its axis coinciding with the longitudinal axis of the handle. During operation, the finger gripper rotation sensor reads the angle of rotation of the movable finger grip around its axis of rotation and transmits a digital signal to the control unit of the hand controller, which calculates its position relative to the stationary finger grip and transmits this information to the digital controller, which is configured to transmit the received signals on the system of numerical control (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer.
[113] В обратном порядке работы, цифровой блок управления контроллером на основе полученных данных планирует траекторию поворота рукоятки и/или пальцевых схватов относительно продольной оси рукоятки и оси вращения пальцевых схватов, которая совпадает с продольной осью рукоятки, и при помощи подачи управляющего сигнала на приводной элемент рукоятки и/или приводной элемент пальцевых схватов перемещает рукоятку и/или пальцевые схваты и непосредственно саму кисть оператора, находящуюся в плотном контакте с корпусом рукоятки, в требуемую позицию. [113] In the reverse order of operation, the digital control unit of the controller, based on the received data, plans the trajectory of rotation of the handle and / or finger grips relative to the longitudinal axis of the handle and the axis of rotation of the finger grips, which coincides with the longitudinal axis of the handle, and by supplying a control signal to the drive handle element and / or finger grips drive element moves the handle and / or fingers grips and the operator's hand itself, which is in close contact with the handle body, to the required position.
[114] В некоторых вариантах осуществления контроллера кисти согласно изобретению цифровой блок управления контроллером может обеспечивать управляющие сигналы через блок управления контроллером кисти на приводной элемент рукоятки и/или приводной элемент пальцевых схватов для ускорения и/или противодействия (сопротивления) поворота рукоятки и/или подвижного пальцевого охвата с заданными/расчетными усилиями и ускорениями при прикладывании усилий со стороны оператора. Механизм ускорения/противодействия может быть включен постоянно путем подачи сигнала на цифровой блок управления контроллером с системы числового программного управления (ЧПУ) контроллера. [114] In some embodiments of the hand controller of the invention, the digital controller control unit may provide control signals via the hand controller control unit to the grip actuator and / or the finger grip actuator to accelerate and / or resist rotation of the grip and / or finger grip with set / design forces and accelerations when applied by the operator. The acceleration / counteraction mechanism can be constantly activated by sending a signal to the digital control unit of the controller from the numerical control system (CNC) of the controller.
[115] Таким образом, когда оператор охватывает рукоятку всей поверхностью кисти и поворачивает рукоятку на произвольный угол в сагиттальной плоскости относительно поперечной оси кисти, то в некоторых вариантах осуществления цифровой блок управления контроллером может опосредованно направлять управляющие команды на приводной элемент рукоятки для того, чтобы осуществить поворот рукоятки в сторону, совпадающую с поворотом кисти или, наоборот, в сторону, противоположную повороту кисти для противодействия кисти. [115] Thus, when the operator covers the handle with the entire surface of the hand and rotates the handle at an arbitrary angle in the sagittal plane relative to the transverse axis of the hand, then in some embodiments, the digital controller control unit may indirectly send control commands to the handle drive element in order to implement turning the handle to the side coinciding with the turn of the hand or, conversely, to the side opposite to the turn of the hand to counter the hand.
[116] При манипулировании оператором рукояткой, входящей в состав контроллера кисти, у оператора также могут одновременно возникать усилия для поворота элементом контроллера запястья, которые повторяют отведение или приведение кисти, которое также иногда называется лучевой девиацией кисти, а также поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора. Контроллер запястья контролирует и оцифровывает данные усилия. [116] When the operator manipulates the handle included in the hand controller, the operator may also simultaneously have forces to rotate the wrist controller element, which repeat the abduction or adduction of the hand, which is also sometimes called the radial deviation of the hand, as well as the rotation of the radius with the hand. around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's arm. The wrist controller monitors and digitizes the force data.
[117] При отклонении блока подвижной консоли запястьем руки оператора от переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости датчик поворота блока подвижной консоли формирует цифровой сигнал об угле поворота и передает его в блок управления контроллера запястья, который рассчитывает угол отклонения консоли и передает эту информацию в цифровой блок управления контроллером, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. [117] When the movable console unit is deflected by the operator's wrist from the anteroposterior axis lying in the sagittal plane, the rotation sensor of the movable console unit generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of deflection of the console and transmits this information a controller control unit, which is configured to transmit the received signals to a computer-based numerical control system (CNC) of the controller.
[118] При повороте блока механизма поворота вокруг заранее заданного центра запястьем руки оператора датчик поворота блока механизма поворота формирует цифровой сигнал об угле поворота и передает его в блок управления контроллера запястья, который рассчитывает угол отклонения блока относительно продольной оси руки оператора и передает эту информацию в цифровой блок управления контроллером, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. [118] When the pivot unit rotates around a predetermined center with the operator's wrist, the pivot unit rotation sensor generates a digital signal about the rotation angle and transmits it to the wrist controller control unit, which calculates the angle of deflection of the unit relative to the longitudinal axis of the operator's hand digital control unit of the controller, which is configured to transmit the received signals to the numerical control system (CNC) of the controller, which can be performed on the basis of a computer.
[119] Цифровой блок управления контроллером на основе полученных данных планирует траекторию поворота блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли и при помощи подачи управляющего сигнала на приводной элемент блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли перемещает блок механизма поворота и/или блок подвижной консоли и непосредственно само запястье руки оператора в требуемую позицию. [119] The digital control unit of the controller, based on the received data, plans the trajectory of the rotation of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit and by sending a control signal to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit moves the rotation mechanism unit and / or the movable console unit and directly the operator's wrist itself to the required position.
[120] Контроллер кисти, контроллер запястья, как и контроллер руки, описанный выше, могут быть использованы в качестве тренажера для отработки тех или иных действий. Для этого управление осуществляется согласно заранее составленной и остающейся неизменной в текущем процессе управляющей программе. Сигнал с системы числового программного управления (ЧПУ) поступает на цифровой блок управления контроллером, который на основе заданного алгоритма передает управляющие сигналы на: [120] The hand controller, the wrist controller, like the hand controller described above, can be used as a trainer for practicing certain actions. For this, the control is carried out according to a control program that has been prepared in advance and remains unchanged in the current process. The signal from the numerical control system (CNC) goes to the digital control unit of the controller, which, based on a given algorithm, transmits control signals to:
[121] блок управления контроллером кисти, который в свою очередь управляет работой приводного элемента механизма поворота рукоятки и/или механизма поворота пальцевых схватов соответствующим образом для того, чтобы перевести рукоятку и/или по меньшей мере один пальцевой схват в нужные координаты; [121] the hand controller control unit, which in turn controls the operation of the handle turning mechanism and / or the finger gripper turning mechanism appropriately in order to move the handle and / or at least one finger grip to the desired coordinates;
[122] блок управления контроллером запястья, который в свою очередь управляет работой приводного элемента блока механизма поворота рукоятки и/или блока подвижной консоли для того, чтобы осуществить поворот блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли на рассчитанный угол. При этом жестко закрепленная рукоятка с удерживающей этот корпус кистью руки к блоку подвижной консоли также поворачивается. Контроль соответствующих заданных углов поворота осуществляют датчик поворота блока механизма поворота и датчик поворота блока подвижной консоли. [122] the wrist controller control unit, which in turn controls the operation of the actuator of the handle pivot unit and / or the movable arm unit in order to rotate the pivot unit and / or the movable arm unit through the calculated angle. In this case, the rigidly fixed handle with the hand holding this body to the block of the movable console also rotates. The corresponding predetermined angles of rotation are monitored by a rotation sensor of the rotation mechanism unit and a rotation sensor of the movable console unit.
[123] Приводной элемент рукоятки при поступлении управляющего сигнала для приведения его в движение осуществляет поворот рукоятки вместе с жестко прикрепленным корпусом с удерживающей этот корпус кистью руки. Контроль заданного угла поворота осуществляет датчик поворота рукоятки. [123] The drive element of the handle, when a control signal is received to drive it, rotates the handle together with a rigidly attached body with a hand holding this body. The preset angle of rotation is controlled by the handle rotation sensor.
[124] Приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого охвата при поступлении на него управляющего сигнала для приведения приводного элемента в движение осуществляет поворот подвижного пальцевого охвата на рассчитанный радиус, перемещая таким образом по меньшей мере один палец, удерживающий пальцевой схват на величину, задаваемую цифровым сигналом от цифрового блока управления контроллером. Радиус поворота подвижного пальцевого охвата контролирует датчик поворота пальцевых схватов. [124] The drive element of at least one finger grip, when receiving a control signal to drive the drive element, rotates the movable finger grip by a calculated radius, thus moving at least one finger holding the finger grip by an amount set by a digital signal from the digital control unit of the controller. The swing radius of the movable finger grip is monitored by the finger grip rotation sensor.
[125] Приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли при поступлении управляющего сигнала на них осуществляют поворот контроллера запястья по двум степеням свободы. [125] The drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit, when a control signal is received, rotates the wrist controller in two degrees of freedom.
[126] Система числового программного управления (ЧПУ) контроллера обеспечивает преобразование координат рукоятки, пальцевых схватов, блока подвижной консоли, блока механизма поворота, подвижной платформы в координаты исполнительного устройства и формирование сигналов управления приводами по каждой степени подвижности исполнительного устройства таким образом, чтобы то или иное движение исполнительного устройства соответствовало направлению, в котором оператор воздействовал на рукоятку контроллера кисти в составе контроллера. На фиг. 10 схематично отражена схема управления контроллером. [126] The numerical control system (CNC) of the controller provides the transformation of the coordinates of the handle, finger grips, the movable console unit, the rotation mechanism unit, the movable platform into the coordinates of the actuator and generation of drive control signals for each degree of actuator mobility in such a way that one or another movement of the actuator corresponds to the direction in which the operator acted on the handle of the hand controller as part of the controller. FIG. 10 schematically shows the control circuit of the controller.
[127] Цифровой блок управления контроллером в общем случае является частью многофункционального контроллера и обеспечивает двунаправленный обмен данными между блоком приводов контроллера, блоками управления контроллера кисти и контроллера запястья и дополнительным оборудованием. Цифровой блок управления также имеет возможность синхронного управления указанными механизмами контроллера. [127] The digital controller control unit is generally part of a multifunction controller and provides bi-directional communication between the controller drive unit, hand controller and wrist controller control units, and accessories. The digital control unit also has the ability to synchronously control the specified controller mechanisms.
[128] Блоки управления контроллера кисти и/или управления контроллера запястья, тензоплатформа, цифровой блок управления контроллером могут быть сопряжены с цифровым блоком управления контроллером посредством общей шины передачи данных. Цифровой блок управления контроллером выполнен с возможностью записи данных о получаемых/передаваемых командах. [128] The hand controller control units and / or wrist controller control units, strain platform, digital controller control unit can be interfaced with the digital controller control unit via a common data bus. The digital control unit of the controller is configured to record data on received / transmitted commands.
[129] Таким образом, цифровой блок управления контроллером имеет возможность повторить/продемонстрировать перемещения записанных команд как в свободном режиме, так и передавая движения на находящуюся на рукоятке контроллера руке. [129] Thus, the digital control unit of the controller has the ability to repeat / demonstrate the movements of the recorded commands both in free mode and by transmitting the movements to the hand on the handle of the controller.
[130] Средства передачи данных выбираются из устройств, предназначенных для реализации процесса коммуникации между различными устройствами посредством проводной и/или беспроводной связи, в частности, такими устройствами могут быть: GSM модем, Wi-Fi приемопередатчик, Bluetooth или BLE модуль, GPRS модуль, Глонасс модуль, NFS, Ethernet и т.п. [130] The means of data transmission are selected from devices designed to implement the process of communication between various devices via wired and / or wireless communication, in particular, such devices can be: GSM modem, Wi-Fi transceiver, Bluetooth or BLE module, GPRS module, Glonass module, NFS, Ethernet, etc.
[131] Перед каждым использованием контроллера происходит его калибровка под пользователя. Контроллер обладает гибкими настройками, что позволяет его ориентировать под разные задачи. При пользовании контроллером его можно полностью адаптировать под оператора и его задачи. [131] The controller is calibrated to the user each time it is used. The controller has flexible settings, which allows it to be oriented to different tasks. When using the controller, it can be fully adapted to the operator and his tasks.
[132] В то время как изобретение было описано в определенных примерах и показано на сопровождающих чертежах, следует понимать, что подобные воплощения являются единственно иллюстративными и не ограничивают широту изобретения и что это изобретение не ограничивается показанными и описанными определенными конструкциями и системами, поскольку могут иметь место различные другие модификации, понятные для обычных специалистов этой области. [132] While the invention has been described in specific examples and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are illustrative only and do not limit the breadth of the invention and that this invention is not limited to the shown and described specific structures and systems, as may have place various other modifications that are understandable to those of ordinary skill in the art.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Контроллер оператора для управления роботохирургическим комплексом, включающий1. An operator controller for controlling a robotic surgical complex, including
- неподвижную опорную платформу, - fixed support platform,
- подвижную платформу, расположенную параллельно неподвижной опорной платформе и соединенную с ней посредством исполнительного механизма параллельной структуры, исполнительный механизм параллельной структуры представляет собой три кинематические цепи, связанные одними своими концами с соответствующими подшипниковыми узлами, закрепленными на неподвижной опорной платформе, а другими концами - с подвижной платформой; - a movable platform located parallel to a fixed support platform and connected to it by means of an actuator of a parallel structure, an actuator of a parallel structure consists of three kinematic chains connected by one of its ends with corresponding bearing assemblies fixed on a fixed support platform, and by the other ends - with a movable platform;
- приводной механизм исполнительного механизма, причем каждое звено приводного механизма выполнено в виде кривошипно -шатунного механизма, приводимого в движение сервоприводом с шарико-винтовой передачей; - the drive mechanism of the actuator, and each link of the drive mechanism is made in the form of a crank mechanism driven by a servo drive with a ball screw transmission;
- тензоплатформу, установленную между подвижной платформой и неподвижной опорной платформой и соединенную с последней посредством цилиндрических направляющих, причем на тензоплатформе расположены сопряженные с каждой шарико-винтовой передачей тензодатчики; при этом к подвижной платформе прикреплена управляющая ручка с возможностью ее охвата кистью руки оператора и сконфигурированная для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения руки оператора по меньше мере по трем вращательным степеням свободы и силового воздействия на тензоплатформу по трем линейным степеням свободы; при этом формирующийся на тензодатчиках сигнал передаётся на цифровой блок управления контроллером, который рассчитывает и передает на сервопривод соответствующего звена приводного механизма упомянутого исполнительного механизма команды компенсации веса.- strain gauge platform installed between the movable platform and the fixed support platform and connected to the latter by means of cylindrical guides, and strain gauges coupled to each ball screw are located on the strain gauge platform; at the same time, a control handle is attached to the movable platform with the possibility of covering it by the operator's hand and configured to control and convert the operator's hand movement into a digital signal in at least three rotational degrees of freedom and force action on the strain-gauge platform along three linear degrees of freedom; In this case, the signal formed on the strain gauges is transmitted to the digital control unit of the controller, which calculates and transmits the weight compensation commands to the servo drive of the corresponding link of the drive mechanism of the said actuator.
2. Контроллер оператора по п.1, характеризующийся тем, что исполнительный механизм параллельной структуры представляет собой дельта-робот. 2. The operator controller of claim 1, wherein the parallel structure actuator is a delta robot.
3. Контроллер оператора по п.1, характеризующийся тем, что сервопривод выполнен со встроенным электромагнитным тормозом и датчиком положения углов. 3. Operator controller according to claim 1, characterized in that the servo drive is made with a built-in electromagnetic brake and an angle position sensor.
4. Контроллер оператора по п.1, характеризующийся тем, что управляющая ручка включает контроллер запястья, сконфигурированный для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения запястья оператора по двум вращательным степеням свободы в ортогональных плоскостях, и контроллер кисти, обеспечивающий непосредственный контакт со всей поверхностью кисти оператора во время управления контроллером. 4. An operator controller according to claim 1, wherein the control handle includes a wrist controller configured to control and digitize the operator's wrist motion over two rotational degrees of freedom in orthogonal planes, and a hand controller that provides direct contact with the entire surface of the hand operator while operating the controller.
5. Контроллер оператора по п. 4, характеризующийся тем, что контроллер кисти включает рукоятку для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения кисти оператора по одной вращательной степени свободы и пальцевые схваты для контроля и преобразования в цифровой сигнал положения пальцев руки оператора относительно рукоятки, а контроллер запястья включает блок механизма поворота и блок подвижной консоли. 5. Operator controller according to claim 4, characterized in that the hand controller includes a handle for control and conversion into a digital signal of the operator's hand movement by one rotational degree of freedom and finger grips for control and conversion into a digital signal of the position of the operator's fingers relative to the handle, and the wrist controller includes a pivot unit and a movable console unit.
6. Контроллер оператора по п. 5, характеризующийся тем, что управляющая ручка включает блок управления контроллером запястьем, блок управления контроллером кисти, датчик поворота блока механизма поворота, датчик поворота блока подвижной консоли, приводной элемент блока механизма поворота, приводной элемент блока подвижной консоли, датчик поворота пальцевых схватов, датчик поворота рукоятки, приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого охвата, приводной элемент рукоятки. 6. The operator controller according to claim 5, characterized in that the control handle includes a wrist controller control unit, a hand controller control unit, a rotation sensor of a rotation mechanism unit, a rotation sensor of a movable console unit, a drive element of a rotation mechanism unit, a drive unit of a movable console unit, finger grip rotation sensor, handle rotation sensor, drive element of at least one finger grip, handle drive element.
7. Контроллер оператора по п. 6, характеризующийся тем, что цифровой блок управления сконфигурирован для получения сигналов о текущем состоянии усилий со стороны оператора от тензоплатформы и/или сигналов от контроллера кисти о повороте рукоятки и/или по меньшей мере одного пальцевого охвата и/или сигналов от контроллера запястья о повороте блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли и передачи полученных сигналов на внешнюю систему управления роботохирургическим комплексом. 7. Operator controller according to claim 6, characterized in that the digital control unit is configured to receive signals about the current state of the operator's efforts from the strain gauge platform and / or signals from the hand controller about the rotation of the handle and / or at least one finger grip and / or signals from the wrist controller about the rotation of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit and transmission of the received signals to the external control system of the robotic surgical complex.
8. Контроллер оператора по и.7, характеризующийся тем, что цифровой блок управления сконфигурирован для получения управляющих сигналов от внешней системы управления роботохирургическим комплексом и передачи их на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли и/или приводной элемент рукоятки и/или приводной элемент по меньшей мере одного пальцевого схвата. 8. Operator controller according to i. 7, characterized in that the digital control unit is configured to receive control signals from the external control system of the robotic surgical complex and transmit them to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit and / or the handle drive element and / or a drive element for at least one finger grip.
PCT/RU2020/050342 2019-11-25 2020-11-23 Operator controller for controlling a robotic surgical complex WO2021107819A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138035 2019-11-25
RU2019138035A RU2718595C1 (en) 2019-11-25 2019-11-25 Operator control unit for robotic surgical complex

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021107819A1 true WO2021107819A1 (en) 2021-06-03

Family

ID=70156533

Family Applications (1)

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

Country Status (2)

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

Families Citing this family (3)

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

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003038541A2 (en) * 2001-10-29 2003-05-08 Albert Schaeffer Input device in accordance with the parallel kinematic principle and with haptic feedback
WO2007136739A2 (en) * 2006-05-19 2007-11-29 Mako Surgical Corp. A method and apparatus for controlling a haptic device
US20120150349A1 (en) * 2010-12-14 2012-06-14 Harris Corporation Haptic interface handle with force-indicating trigger mechanism
US20140192020A1 (en) * 2006-07-03 2014-07-10 Force Dimension S.A.R.L. Active gripper for haptic devices
WO2019222495A1 (en) * 2018-05-18 2019-11-21 Auris Health, Inc. Controllers for robotically-enabled teleoperated systems

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU140220U1 (en) * 2013-12-10 2014-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) HEX POSITION METER

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003038541A2 (en) * 2001-10-29 2003-05-08 Albert Schaeffer Input device in accordance with the parallel kinematic principle and with haptic feedback
WO2007136739A2 (en) * 2006-05-19 2007-11-29 Mako Surgical Corp. A method and apparatus for controlling a haptic device
US20140192020A1 (en) * 2006-07-03 2014-07-10 Force Dimension S.A.R.L. Active gripper for haptic devices
US20120150349A1 (en) * 2010-12-14 2012-06-14 Harris Corporation Haptic interface handle with force-indicating trigger mechanism
WO2019222495A1 (en) * 2018-05-18 2019-11-21 Auris Health, Inc. Controllers for robotically-enabled teleoperated systems

Also Published As

Publication number Publication date
RU2718595C1 (en) 2020-04-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12070282B2 (en) Methods, systems, and devices relating to force control surgical systems
CN110559082B (en) Surgical robot and control method and control device for mechanical arm of surgical robot
US6233504B1 (en) Tool actuation and force feedback on robot-assisted microsurgery system
WO2021107819A1 (en) Operator controller for controlling a robotic surgical complex
Berkelman et al. A compact, compliant laparoscopic endoscope manipulator
Mihelj et al. ARMin II-7 DoF rehabilitation robot: mechanics and kinematics
Casadio et al. Braccio di Ferro: a new haptic workstation for neuromotor rehabilitation
CN101999938B (en) Manual operating device for bone surgery assisted robot
US20200206961A1 (en) Backdrivable and haptic feedback capable robotic forceps, control system and method
RU2720830C1 (en) Assisting surgical complex
CN109316239B (en) Minimally invasive surgery robot main manipulator and system based on magnetic navigation sensing
GB2519993A (en) Robotic hand
Wisanuvej et al. Master manipulator designed for highly articulated robotic instruments in single access surgery
CN113194870B (en) User interface device, main control console of surgical robot device, and operation method thereof
WO2021107820A1 (en) Wrist controller for robotic surgical complex
RU2716353C1 (en) Hand controller for use in robot surgery system operator's controller
US20200297447A1 (en) A device for sensing the pose and motion of a human's arm-hand
Tzemanaki et al. μAngelo: A novel minimally invasive surgical system based on an anthropomorphic design
RU2803231C1 (en) Leading manipulator of the robotic surgical complex
RU208913U1 (en) SURGICAL ROBOT MANIPULATOR
Li et al. Achieving force perception in master-slave manipulators using pneumatic artificial muscles
Yılmaz Development of a Sensorless Haptic Teleoperation System for Robotic Minimally Invasive Surgery
Kütük et al. An Exoskeleton Design Robotic Assisted Rehabilitation: Wrist & Forearm
EA043724B1 (en) SURGICAL ROBOT MANIPULATOR
Erkan Kütük et al. An Exoskeleton Design Robotic Assisted Rehabilitation: Wrist & Forearm

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20891714

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20891714

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1