WO2021107820A1 - Wrist controller for robotic surgical complex - Google Patents

Wrist controller for robotic surgical complex Download PDF

Info

Publication number
WO2021107820A1
WO2021107820A1 PCT/RU2020/050343 RU2020050343W WO2021107820A1 WO 2021107820 A1 WO2021107820 A1 WO 2021107820A1 RU 2020050343 W RU2020050343 W RU 2020050343W WO 2021107820 A1 WO2021107820 A1 WO 2021107820A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
controller
wrist
rotation
operator
hand
Prior art date
Application number
PCT/RU2020/050343
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 WO2021107820A1 publication Critical patent/WO2021107820A1/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
    • A61B34/75Manipulators having means for prevention or compensation of hand tremors
    • 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
    • A61B34/76Manipulators having means for providing feel, e.g. force or tactile feedback
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/08Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/08Gripping heads and other end effectors having finger members
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls

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: medical equipment, gaming industry, 3D computer modeling and design.
  • the invention may relate to the field of monitoring and control of robotic surgical systems for minimally invasive surgical procedures.
  • the invention relates to devices for converting the movement of a surgeon's wrist into a digital command for controlling a surgical instrument, and for converting it in the reverse order, namely, converting digital commands into mechanical movements transmitted to the surgeon's wrist.
  • Simple user interface systems can provide separate numerical control (CNC) control for each movable connection of a robot, robotic arm, or other slave device. More sophisticated systems may include hand controllers (sometimes in the form of a joystick or pistol grip) that sense movement by the user's hand. The robot control system responds to these control signals by activating certain servos, solenoids, or other devices in the robotic arm to provide the desired action.
  • the controller in the direct operating order, provides control and monitoring, on the other hand, in the reverse operating order, it provides a tactile sensation of interaction with the technical system 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 generates one or more control signals, which are then used to control various movements of the manipulator, converting the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into commands for the mechatronic complex.
  • the controller also provides the user with feedback on the force applied to the motion input or the force applied by the user.
  • the controller for remotely controlling the movement of the arm may be separated from the actuator by a considerable distance (for example, the controller may be in a different room or in a completely different building). Alternatively, the controller can be located very close to the actuator.
  • robotic surgical systems which are used in minimally invasive medical operations.
  • the manipulators and the surgical instruments attached to them are controlled by the surgeon using controllers.
  • the control system of the robotic surgical complex reacts to control signals from the controller in digital form.
  • Such a control procedure makes it possible to transfer to the executive instrument the movements of the surgeon's hands with a scale and to increase the accuracy of the corresponding movements of these instruments.
  • the controller is required for a tactile sensation of interaction with the robotic surgical system, which is an important feature for improving the efficiency of operations performed using such systems.
  • the ranges of motion of the control controller are limited both by the mechanical features of the implementation and by the biological features of the structure of the human hand, wrist, hand.
  • control controller disclosed in US application 2014192020 A1.
  • the controller provides at least three rotational degrees of freedom and is attached to a parallel kinematic device that provides at least three translational degrees of freedom.
  • the controller contains three rotary articulated joints, each of which provides a rotational degree of freedom relative to the local point of connection of the handle with the device providing translational movements, and contains at least one rotation position sensor and at least one actuator. This design allows tactile feedback to be transmitted to the control controller.
  • the described control controller conventionally consists of two different systems, a wrist controller and a hand controller, necessary to provide the corresponding degrees of freedom.
  • the wrist controller that describes roll and pitch rotations implemented by pivot joints. Mounted in the pivot joints, the actuators provide tactile feedback to the operator's wrist when needed. When the operator is working, the common center of rotation is located within the user's palm between the thumb and the fingers in contact with the grip. To ensure contact with the fingers, a grip is used that attaches to the rotary joint.
  • the wrist controller uses a counterweight design to compensate for gravity.
  • the design of the wrist controller does not guarantee rigidity, and as a consequence, the accuracy of the design, which is an important factor for the driver during robotic surgery.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to create a wrist controller, which is part of the control controller, which provides the surgeon with the possibility of improved, more maneuverable and precise control of an element of a robotic technological complex with an enlarged, ergonomically convenient working area as a control controller in general as well as the wrist controller.
  • the wrist controller must most accurately control at least one angle of rotation of the operator's wrist over the entire amplitude and at all angles, converting this information into a digital signal transmitted to the controlled element of the robotic technological complex.
  • the wrist controller must implement a feedback channel from the controlled element of the robotic technological complex of the control system, converting the digital control signal into mechanical movement - the rotation of the operator's wrist.
  • the wrist controller should reduce the static and dynamic stress on the operator's wrist during operation, while maintaining a minimum weight load on the wrist during operation.
  • the wrist controller must digitize the operator's wrist movements without significantly limiting the natural mobility of the operator's hand. [028] In order to solve the set tasks, the operator's wrist controller together with the hand controller forms a control handle used as part of the operator's controller for controlling the robotic surgical complex.
  • the operator's wrist controller includes a pivot assembly that has an upper and a lower portion, an ergonomically shaped housing; the rotation mechanism block is functionally configured for connection with another element that is part of the operator's controller, which is designed to provide the function of moving the manipulator with a surgical instrument along three mutually orthogonal axes, and independent rotation around a predetermined center, repeating the rotation of the radius together with the hand around the ulnar bones relative to the longitudinal axis of the operator's hand, to ensure the function of rotation of the manipulator with a surgical instrument around one axis; at least one block of the movable console, which is a flat open mechanism of a parallel rigid structure, consisting of three links and three kinematic pairs; the movable console unit is functionally configured to be attached on one side to the top of the swing mechanism unit and, on the other, to the top of the handle, which is covered and held by the entire surface of the operator's hand during operation, which is also part of the operator's controller, and pivot that repeats the swing the
  • a wrist controller control unit at least one rotation sensor of the movable console unit, which provides electrical signals corresponding to a change in the position of the movable console unit relative to the rotation mechanism unit when the operator's hand is turned around the handle in the frontal plane around the anteroposterior axis lying in the sagittal plane and transmitting them to the control unit of the wrist controller, the drive element of the movable console unit.
  • a rotation sensor of the rotation mechanism unit which provides electrical signals corresponding to a change in the position of the rotation mechanism unit relative to a predetermined center when the radius is rotated together with the operator's hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand and transmitting them to the control unit of the wrist controller
  • a drive element of the rotation mechanism unit and the rotation sensor of the rotation mechanism unit is located on the rotation axis of the drive element of the rotation mechanism unit.
  • control unit of the wrist controller is functionally configured to transmit the received signals to the digital unit of the operator controller and to the external control system of the robotic surgical complex to transfer the movement of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit to the corresponding independent movement of the manipulator with the surgical instrument and / or surgical instrument, obtaining control signals from the external control system of the robotic surgical complex and their transmission to the drive element of the rotation mechanism unit and / or a drive element of the movable console unit for transmitting the movement of the manipulator with the surgical instrument and / or the surgical instrument into the corresponding independent movement of the said units.
  • the pivot assembly housing is ergonomically recessed and recessed to approximate the handle housing as close as possible to the operator's wrist while still providing full travel path for the handle.
  • the digital control unit of the operator controller generates control signals through the wrist control unit to the drive element of the pivot mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit to provide rotation of these units in the direction coinciding with the rotation of the operator's hand together with the radius around the ulna and / or when the operator's hand is deflected towards the ulna or to the side opposite to the rotation of the hand and / or abduction of the hand, respectively.
  • a static balance and vertical balance weight system is mounted at the bottom of the pivot housing.
  • the drive member of the movable arm assembly is mechanically coupled to the movable arm assembly using a flexible transmission.
  • the solution belongs to the category of controllers designed to manipulate as an object, and does not require the mandatory mechanical fastening of the operator's hand to the structural elements, but this possibility is present.
  • FIG. 1 illustrates a perspective view of an operator controller of the present invention for operator control of mechatronic devices.
  • FIG. 2a and FIG. 26 illustrates a general view of a wrist controller for use in the control handle of an operator controller for controlling a robotic surgical system without a housing and in a housing, respectively.
  • FIG. 3 schematically reflects the planes in which the operator's hand moves in the wrist joint.
  • FIG. 4 illustrates a general view of the robotic surgical complex.
  • FIG. 5 illustrates a general view of a wrist controller with a hand controller attached thereto, including a flex transmission attachment for carrying a drive element, a drive element attachment for a pivot unit included in the wrist controller.
  • FIG. 6 illustrates an assembly drawing of a printed circuit board for installing a digital magnetic encoder.
  • FIG. 7 shows a 3D model of a power printed circuit board.
  • FIG. 8 shows a three-dimensional model of the control PCB.
  • FIG. 9 schematically depicts an example of an unpackaged wrist controller with printed circuit boards installed according to the present invention.
  • robot technological complex means complex systems or complexes in surgery using a robotic assistant during an operation.
  • Robot assistive systems or “robotic assisted surgical systems” are robotic systems designed to perform medical operations. These are not autonomous devices, robotic assistive systems are controlled by surgeons during the operation.
  • chatronic complex or “mechatronic system” means a complex or system with computer control of motion, 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.
  • transverse axis AA lies in the frontal plane T and controls the flexion and extension movements carried out in the sagittal plane:
  • Sweat by the term "absolute position" in this document means a coordinate defined relative 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.
  • all types of angle encoders are suitable for determining the value of the angle of rotation of an 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 angle sensors and / or magnetic sensors can also be used. angle of rotation.
  • 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 controller belongs to the class of mechanisms that ensure the conversion into an electronic digital signal of commands that a person sets with a movement of the hand.
  • the general view of the controller is shown in Fig. 1.
  • the digital command controller 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 realized at the control handle 1100.
  • the control handle 1100 generally consists of a hand controller 100 and an attached wrist controller 200, each of which provides two rotational degrees of freedom of 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 present invention generally relates to an operator wrist controller 200.
  • the controller of the operator's wrist 200 is used as part of the controller for controlling the mechatronic complex, in particular, it is an element of the control handle 1100, on which the controller 1000 contacts the operator's hand.
  • the main purpose of a wrist controller attached to one end of the wrist controller is to provide contact and interaction through the wrist with the wrist. operator and providing at least two rotational degrees of freedom both for realizing the orientation of an element of the mechatronic complex in response to the rotation of the operator's wrist, and for transferring forces to the operator's wrist when in the feedback mode.
  • the wrist controller is configured to most accurately determine the angle of rotation of the wrist in two orthogonal directions relative to a given center of rotation (relative to the place of attachment of the wrist controller to the hand controller) over the entire amplitude 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 hand in these planes.
  • the wrist controller has at least two units that provide two degrees of freedom for the wrist and a wrist controller control unit.
  • the following is a more detailed description of one preferred embodiment of a wrist controller for use in an operator controller.
  • a general view of the wrist controller is shown in FIG. 2a.
  • the wrist controller includes at least one movable console unit 210 and a stationary (relative to the console unit) pivot unit 220.
  • the pivot unit 220 represents a substantially vertically located attachment area 221 of the movable console unit 210 and has an upper portion and a lower portion.
  • the block of the movable console 210 is, on the one hand, adapted to be attached to the hand controller 100, and on the other hand, is rigidly connected to the block of the rotation mechanism 220.
  • the movable console unit 210 is fixed to the top of the pivot unit 220.
  • This arrangement is due to the configuration of both units and is intended for the convenience of the operator, in particular so that during operation the unit the movable console 210 does not touch the operator's knees, which provides a comfortable working area.
  • this design reduces the overall dimensions of the operator controller, which includes the wrist controller. Also, the design allows you to increase the operator's working area, as it will allow the operator's hands to be kept as close to each other as possible.
  • the wrist controller may be a pivot assembly with corresponding movable arm assemblies attached to the top and bottom of which.
  • the method of securing the movable arm assembly 210 to the stationary pivot assembly 220 and to the hand controller 100 may be selected from any suitable known attachment method. As a rule, fastening is carried out by means of a bearing assembly. In addition, this attachment can be realized using a sliding sleeve.
  • the structure of the movable cantilever unit 210 which provides one degree of freedom with respect to the pivot unit 220 (the link assumed to be stationary, although the pivot unit itself moves when the wrist controller moves), is a flat, open mechanism of a parallel rigid structure, consisting of three links and three kinematic pairs.
  • the main elements of this mechanism are: a) a stand, b) a rocker, c) a rocker that provides a swinging movement (abduction and adduction) of the hand in the wrist joint in the frontal plane.
  • the swinging movement is carried out relative to the axis of the hand, which in the initial position lies in the plane passing through the middle finger and the third metacarpal bone, and the longitudinal axis of the forearm (the hand performs a swinging movement relative to the anteroposterior axis BB 'in the frontal plane T (movements are indicated by arrow 3 and arrow 4
  • the amplitude of these movements is measured from the axis of the hand.
  • the volume of this movement can vary from 30 ° to 55 ° depending on the physiological capabilities of the operator. Compared to existing designs, this design allows you to increase the amplitude of rotation of the wrist along this axis and expand the working the area of the operator's controller so that when the controller is lowered, there will be no collision with the operator's knees.
  • the pivot assembly 220 is attached to the arm controller 1200 so as to be rotatable about the longitudinal axis of the arm controller 1200 (this axis is shown in FIG. 2a) while providing one degree of freedom.
  • a rotation of the rotation unit 220 is a normal rotation of the radius with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis.
  • the pivot assembly has an ergonomically shaped housing within which a frame is located, which is a substantially vertical platform 221. Elements of the pivot assembly are mounted on the pivot assembly frame in such a way as to maximize the compactness of the structure and optimal weight distribution of the unit.
  • a weight system is located on the bottom of the platform 221 that attaches to the bottom of the frame to provide balance in a static position and in an upright position. The weight of the weight system can be determined by calculation based on the integration. The weight of the system of loads and its location is calculated from the condition of equilibrium of the moments of rotation.
  • the shape of the housing 222 of the pivot mechanism 220 assembly is geometrically such as to be able to bring the hand controller as close as possible while providing the full path of movement of the hand controller 100 (FIG. 26).
  • the body 222 is shaped like a parallelepiped, one side of which, facing towards the hand controller 100, has a small radius concave surface.
  • ergonomic shape provides maximum compactness of the design and optimal weight distribution of the unit.
  • the wrist controller pivot assembly 220 includes the following elements: a movable console unit drive member 223, a pivot unit rotation sensor, a pivot unit drive member 224, at least one wrist controller and / or hand controller control unit (not shown in Fig. 2), configured to read signals from the rotation sensors of the rotation mechanism unit and the movable console unit and supply control signals to the drive elements of these units.
  • the rotation unit 220 also includes a moveable arm unit rotation sensor.
  • FIG. 2 shows the possible options for the location and fastening 225 of the rotation sensor of the movable console unit.
  • the preferred arrangement of the rotation sensor of the rotation unit measuring the angle of inclination of the rotation mechanism is indicated at 226.
  • a frame 221 is disposed within the wrist controller housing 222, on which a moveable arm unit rotation sensor is mounted, a movable arm unit actuator 223 mechanically coupled to the movable arm unit 210, for example, via flex or any other in a known manner, and at least one control unit of the wrist controller and / or the hand controller. All of these elements are electrically connected to each other.
  • the rotation sensor of the movable console unit is located so as to determine the absolute position of the specified console (angle) when it is rotated, repeating the rotation of the hand relative to the anteroposterior axis, which lies in the sagittal plane and controls the adduction and abduction movements occurring in the frontal plane.
  • a plate-shaped attachment plate is attached to the body 222 of the fixed rotation unit on the side opposite to the concave surface.
  • the plate is preferably flat. Any geometry of the insert can be chosen without going beyond the body.
  • a drive element 224 of the rotation mechanism unit is mounted for its rotation around a predetermined center, repeating the rotation of the radius together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand.
  • the pivot unit drive member 224 may be attached to its other side to the positioning platform of the controller 1200 so as to transfer the weight of the wrist controller and the hand controller to it.
  • the rotation sensor of the rotation mechanism assembly is located on the axis of rotation of the drive member. Although the specified sensor can be located anywhere else in such a way as to determine the absolute position of the rotation mechanism block relative to the hand controller. These elements are electrically connected to each other and to the control unit of the wrist controller.
  • At least one angle detection sensor for each rotational degree of freedom allows the absolute position of the tilt angle 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 wrist controller can operate both in the phase of transmitting commands from the wrist to the wrist controller and in the phase of transmitting commands from the wrist controller to the wrist (feedback mode).
  • the wrist controller solves a direct problem, it controls the angle of rotation of the wrist in the frontal plane relative to the anteroposterior axis of the hand (adduction and abduction of the hand, deviation of the operator's hand towards the ulna), as well as control of the rotation of the wrist around a predetermined center, repeating the rotation of the radius together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's arm.
  • the movement of the wrist is carried out in a manner corresponding to the movement of the wrist controller.
  • the wrist controller in particular its constituent elements such as the pivot mechanism unit and the movable arm unit, can independently move according to a predetermined control program.
  • the signal from the numerical control system (CNC) is fed to the digital control unit of the controller, which, based on a predetermined algorithm, transmits control signals to the wrist controller control unit, which in turn controls the operation of the drive element of the handle rotation mechanism unit and / or the movable console unit in order to to rotate the slewing mechanism 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 rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit upon receipt of a control signal, rotate the wrist controller in two degrees of freedom.
  • the wrist controller monitors and digitizes the deflection of the wrist relative to the anteroposterior axis located in the sagittal plane (abduction or adduction of the hand, which is also sometimes called the radial deviation of the hand), as well as the rotation of the wrist around a predetermined center, repeating the rotation of the radius with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand.
  • 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 to the digital 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 the unit deflection relative to the longitudinal axis of the operator's hand and transmits this information to 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 controller control unit calculates the possible trajectory of rotation of the swing mechanism unit and / or the movable console unit and, by sending a control signal to the drive element of the swing mechanism unit and / or the movable console unit, moves the swing mechanism unit and / or the movable console unit and directly the operator's wrist itself to the calculated position.
  • the digital controller control unit of the controller can provide resistance / reaction or acceleration to the rotation mechanism unit or the movable console unit, and, accordingly, the human hand with the given / calculated forces and accelerations by supplying control signals to the drive elements of the corresponding units.
  • the resistance / reaction mechanism can be switched on permanently by sending a signal from the numerical control system (CNC) of the controller.
  • CNC numerical control system
  • "braking" blocks, joint or independent can be carried out if the movement is limited to a certain angle of rotation from the axis.
  • the control signal to the drive elements of the movable arm and / or pivot mechanism of the wrist controller may be configured to "ride" the blocks to facilitate movement of the controller by the operator, reducing the weight of the movable elements.
  • the numerical control system (CNC) of the controller converts the coordinates of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit into coordinates of the controlled actuator of the mechatronic complex and the formation of drive control signals for each degree of mobility of the actuator so that one or another movement of the actuator corresponds to the direction in which the operator acted on the wrist controller as part of the controller.
  • the controller structure is provided with a presence sensor that is configured to detect the presence of people in the room, as well as their number, posture and position of their bodies, regardless of whether they are moving or not.
  • presence detectors use two technologies: ultrasonic and infrared, to detect the presence of people in a room.
  • the presence sensor is configured to transmit a signal to the control units of the hand controller, the wrist controller and the digital control unit of the controller.
  • the digital controller control unit receives a signal from the presence sensor and sends control signals to the controller drive unit, to the wrist controller control unit, to the hand control unit, which in turn control the operation of the wrist controller actuators and actuators hand controller and equipped with electromagnetic brakes.
  • the electromagnetic brakes are activated when a control signal is received from the digital control unit of the controller. In this case, the controller is locked in the position in which it was at the moment the signal was sent from the presence sensor, when the operator removed his hands from the handle of the hand controller.
  • the electromagnetic brakes are also activated if the power supply is accidentally cut off.
  • the controller as a whole cannot change its position and cannot transmit a signal about changing its position indirectly to the numerical control system (CNC) of the controller even under the influence of forces applied to it.
  • the presence sensor can be disabled as needed.
  • 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 control unit of the wrist controller may be interfaced with the digital control unit of the controller via a common data bus.
  • the digital control unit of the controller is configured to record data on received or transmitted commands.
  • 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.
  • GSM modem Wi-Fi transceiver
  • Bluetooth or BLE module GPRS module
  • Glonass module Glonass module
  • NFS NFS
  • Ethernet etc.
  • the controller Before each use of the controller, it is calibrated for the user.
  • the controller has flexible settings, which allows it to be oriented to different tasks. When using the controller, it can be fully adapted to the operator and his tasks.
  • controllers are used in surgeon simulators to study a virtual patient in a virtual environment.
  • controllers the user can move objects in a virtual environment, rotate, grab and perform all surgical manipulations.
  • controller described above can be used in a robotic surgical complex for various surgical procedures, including urology, gynecology, abdominal, neuro- and cardiac surgery.
  • a robotic surgical complex is shown in Fig. four.
  • the robotic system 300 includes at least one manipulator 310 with a surgical instrument 320 attached to it, a manipulator control unit 330 and an operator interface 340, which receives commands from a surgeon, converts them into the movement of a surgical instrument 320 inside the patient's body during carrying out a surgical operation and / or provides all 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 system 300.
  • the controller generates a command to move the surgical instrument. Additionally, the controller controls the turning and opening-closing of the jaw on the surgical instrument.
  • manipulators with a 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 can be detachably coupled, the movement and location of which is manipulated by a surgeon using a controller that digitizes the surgeon's hand.
  • the control controller is split into two independent controllers - the brush controller and a wrist controller. This division allows to separate the rotational movements of the surgeon's hand, taking into account the biological features of the structure of the hand.
  • the present invention disclosed in this application is essentially a wrist controller that is small in size and allows you to accurately determine the position and orientation in space of the surgeon's wrist without placing unnecessary stress on the surgeon's wrist.
  • the developed wrist controller has sufficient structural rigidity, and the working area of the wrist controller is not limited by the linear dimensions and mechanical implementation features, allowing it to work in the full amplitude of the surgeon's wrist movements.
  • the wrist controller also takes into account the peculiarities of the surgeon's work during the operation, in which it is possible for the controllers to collide with each other during convergence, or collide with the knees of the surgeons, while providing the maximum possible working space within this range.
  • the wrist controller is equipped with a haptic feedback system.
  • the wrist controller is used as part of the robotic system controller as a control element to provide the function of rotating the manipulator with the surgical instrument around one axis and to provide the function of rotating the surgical instrument around one axis.
  • the wrist controller is a mechanical device that interacts along two rotational axes.
  • the control of the action of the surgeon's hands along the third rotational axis is provided by a hand controller, which is not considered within the framework of this patent application, but a full-fledged surgical operation is possible only if the entire controller for controlling the robotic complex is implemented, which allows setting three rotational axes.
  • an active grip device is used to contact the surgeon's hand with the wrist controller, which can be used as a hand controller if modified to meet the requirements of the hand controller. It should be noted that any designs with different geometric and ergonomic characteristics, depending on the type of the problem being solved, can act as an active gripping device.
  • the active grip device and wrist controller should take into account all linear dimensions of the distances between the centers of the joints of the hand, hand and wrist. Geometry parameters of positions and directions are used to describe the configuration parameters of the wrist. Directions can only be defined when linking coordinate systems to the wrist, in which case the base coordinate system will be linked directly to the wrist controller, and the origin of the coordinate system will be the point at which all rotational axes converge.
  • the vector of the origin of the coordinate system of the wrist will coincide with the sequence of rotations about the axes of rotation by the Euler angles.
  • Euler angles define three rotations of the system, which allow to bring any position of the system to the current one. Rotations of the system through these angles are called precession, nutation, and rotation through its own angle (rotation).
  • the nutation process of the wrist controller is similar to the rotation of the hand relative to the anteroposterior axis, which lies in the sagittal plane and controls the adduction and abduction movements occurring in the frontal plane.
  • the process of rotating the wrist controller is similar to rotating the radius with the hand around the ulna.
  • the inverse task is the task of constructing a given position of the orientation of the wrist using the wrist controller and the related task of determining all the required angles of rotation.
  • the wrist controller makes it possible to track the position of the surgeon's wrist, to transmit the change in orientation in the form of a digital signal displaying changes in the angle of deflection relative to the axes of rotation and nutation. These values are used as input data in kinematic calculations of the estimated position of the end of the surgical instrument and allow these signals to be interpreted as control commands.
  • the very kinematics of transforming the setting angles into control commands is not considered within the framework of the application under consideration, but the very understanding of how to present the measured data is an important detail in the context of the problem being solved.
  • FIG. 5 illustrates a preferred embodiment of a wrist controller.
  • FIG. 5 illustrates the attachment of the consoles to the actuator that implements the nutation motion of the wrist controller.
  • two flat plates 227 In the upper part of the platform 221, two flat plates 227, mechanically connected to the platform 221, are arranged perpendicularly to it in parallel.
  • a console is connected to the holes 228 of these plates.
  • the wrist controller is attached to a parallel kinematic mechanism such as a delta robot, the task of which will be to provide at least three translational degrees of freedom.
  • This attachment can be carried out by any known attachment method.
  • Brushless DC motors can be used as the drive elements used in the wrist controller.
  • the choice of motors is dictated by the requirements for the system: relatively low speed, high torque, low weight and overall dimensions.
  • the disadvantage of such motors is the need for an automatic control system to regulate the turnover and torque, which is not a significant difficulty within the framework of the described solution.
  • the advantages of using brushless motors are high reliability and durability due to the absence of a commutator assembly subject to wear.
  • encoders selected from optical, magnetic or other encoders, or in the form of a resistive element were used as rotation sensors.
  • high-precision non-contact encoders based on Hall sensor arrays are used as rotation sensors.
  • This type of encoder offers advantages such as high resolution (14 bits, 0.0219 degrees), digital zero setting, high speed, digital status and diagnostics loop.
  • Magnetic encoders have a number of operational features that affect measurement accuracy: - Sensitivity to power supply noise;
  • FIG. 6 shows an assembly drawing of a printed circuit board 400 for installing a digital magnetic encoder.
  • FIG. 6 denoted: 420 - encoder microcircuit seat, 410 - PCB mounting holes, 430 - power and data pads.
  • the wrist controller control unit is implemented on the basis of two printed circuit boards: one is responsible for the power isolation and voltage conversion, the drivers for controlling the drive elements are additionally connected to it, and the second is responsible for receiving and processing data received from the measuring devices and interaction with control drivers of drive elements according to specified algorithms.
  • FIGS. 7 and 8 show 3D models of the power board 500 and control board 600, respectively.
  • Control PCB 600 is designed to mount an encoder 610 on one side, eliminating the need for a separate encoder PCB to measure the tilt of the slew unit.
  • FIG. nine A general view of the device with the boards 500, 600 attached to the mechanical flat pad 221, which is part of the wrist controller, is shown in FIG. nine.
  • the surgeon's wrist controller operates as follows. The surgeon positions the hand on the gripper body so that the grip body is sandwiched between the palm and fingers. In this case, the emergence of efforts on the part of the surgeon for the emergence of nutation movements of the gripper device (hand controller), which correspond to the rotation of the surgeon's hand in the frontal plane around one axis lying in the sagittal plane, causes the rotation to cause the rotation of the surgical instrument of one axis. And the emergence of efforts on the part of the surgeon to rotate the gripper device (hand controller), which corresponds to the rotation of the radius together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand, causes the manipulator with the surgical instrument to rotate around one axis.
  • a wrist controller is also used to guide or transmit forces to the surgeon's wrist.
  • the processes describing the transmission of control commands for the operation of the wrist controller both in the control mode of the manipulator with a surgical instrument and in the transmission of forces to the surgeon's wrist are described above.

Landscapes

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

Abstract

The invention relates to a wrist controller for controlling a robotic surgical complex. A controller turning mechanism assembly is connected to an element in the operator controller for controlling movement and rotation of a manipulator with a surgical tool about one axis. A moveable arm assembly of the controller is secured to an upper part of the turning mechanism assembly and to an upper part of a handle of the operator controller. Arranged inside the housing of the turning mechanism assembly are a controller control unit, a turning sensor and a drive element of the moveable arm assembly, and on the outside of the housing are a turning sensor and a drive element of the turning mechanism assembly. The control unit converts motion of the turning mechanism assembly and/or the moveable arm assembly into motion of the manipulator and/or the surgical tool and converts motion of the manipulator and/or the surgical tool into motion of said assemblies. The invention achieves more maneuverable and precise control of an element of the robotic complex on account of use of the proposed architecture of the controller while reducing static and dynamic load on the wrist of the operator and ensuring a minimal weight load on the wrist during control.

Description

КОНТРОЛЛЕР ЗАПЯСТЬЯ ДЛЯ РОБОТОХИРУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА WRIST CONTROLLER FOR ROBOTSURGICAL 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: медицинское оборудование, игровая индустрия, трехмерное компьютерное моделирование и дизайн. Более конкретно, изобретение может относится к области контроля и управления роботизированными хирургическими комплексами для проведения минимально инвазивных хирургических операций. В частности, изобретение относится к устройствам для преобразования движения запястья руки хирурга в цифровую команду для управления хирургическим инструментом, и для преобразования в обратном порядке, а именно, преобразования цифровых команд в механические движения, передаваемые на запястье руки хирурга. [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: medical equipment, gaming industry, 3D computer modeling and design. More specifically, the invention may relate to the field of monitoring and control of robotic surgical systems for minimally invasive surgical procedures. In particular, the invention relates to devices for converting the movement of a surgeon's wrist into a digital command for controlling a surgical instrument, and for converting it in the reverse order, namely, converting digital commands into mechanical movements transmitted to the surgeon's wrist.
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] Простые системы пользовательского интерфейса могут обеспечивать отдельно задаваемое системой числового программного управления (ЧПУ) управление для каждого подвижного соединения робота, роботизированного манипулятора или другого ведомого устройства. Более сложные системы могут включать ручные контроллеры (иногда в форме джойстика или пистолетной рукоятки), которые воспринимают движение рукой пользователя. Система управления роботом реагирует на эти управляющие сигналы, активируя определенные сервомоторы, соленоиды или другие устройства в роботизированном манипуляторе для обеспечения желаемого действия. [004] С одной стороны, контроллер, в прямом порядке работы, обеспечивает управление и контроль, с другой стороны, в обратном порядке работы, он обеспечивает тактильное ощущение взаимодействия с технической системой 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. [003] Simple user interface systems can provide separate numerical control (CNC) control for each movable connection of a robot, robotic arm, or other slave device. More sophisticated systems may include hand controllers (sometimes in the form of a joystick or pistol grip) that sense movement by the user's hand. The robot control system responds to these control signals by activating certain servos, solenoids, or other devices in the robotic arm to provide the desired action. [004] On the one hand, the controller, in the direct operating order, provides control and monitoring, on the other hand, in the reverse operating order, it provides a tactile sensation of interaction with the technical system 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.
[005] Контроллер генерирует один или несколько управляющих сигналов, которые затем используются для управления различными движениями манипулятора, преобразуя механические движения руки по шести степеням свободы в команды для мехатронного комплекса. Контроллер также предоставляет пользователю информацию с обратной связью по силе, поступающей на вход движения, или силе, прилагаемой пользователем. [006] Контроллер для дистанционного управления движением манипулятора может быть отделен от исполнительного механизма значительным расстоянием (например, контроллер может находиться в другой комнате или в совершенно другом здании). В качестве альтернативы, контроллер может быть расположен совсем рядом с исполнительным механизмом. [005] The controller generates one or more control signals, which are then used to control various movements of the manipulator, converting the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into commands for the mechatronic complex. The controller also provides the user with feedback on the force applied to the motion input or the force applied by the user. [006] The controller for remotely controlling the movement of the arm may be separated from the actuator by a considerable distance (for example, the controller may be in a different room or in a completely different building). Alternatively, the controller can be located very close to the actuator.
[007] Одна из широко используемых областей применения таких контроллеров - роботизированные хирургические системы, которые применяются в малоинвазивных медицинских операциях. Во время операции управление манипуляторами и закрепленными на них хирургическими инструментами выполняется хирургом при помощи контроллеров управления. Система управления роботизированным хирургическим комплексом реагирует на управляющие сигналы от контроллера в цифровом виде. Такой порядок управления позволяет с масштабом передать на исполнительный инструмент движения рук хирурга и повысить точность соответствующих движений этих инструментов. [007] One of the widely used areas of application of such controllers is robotic surgical systems, which are used in minimally invasive medical operations. During the operation, the manipulators and the surgical instruments attached to them are controlled by the surgeon using controllers. The control system of the robotic surgical complex reacts to control signals from the controller in digital form. Such a control procedure makes it possible to transfer to the executive instrument the movements of the surgeon's hands with a scale and to increase the accuracy of the corresponding movements of these instruments.
[008] Для проведения такого рода операций необходимо обеспечивать по меньшей мере шесть степеней свободы для медицинского инструмента, который должен осуществлять поступательные и вращательные движения. Особое внимание уделяется способам и методам преобразования механических вращательных движений руки оператора в управляющие команды для роботохирургического комплекса, так как значительная часть операционных действий осуществляется непосредственно кончиком медицинского инструмента, например, наложение швов, коагуляция и др. [008] To carry out such operations, it is necessary to provide at least six degrees of freedom for the medical instrument, which must carry out translational and rotational movements. Particular attention is paid to the methods and methods of converting the mechanical rotational movements of the operator's hand into control commands for the robotic surgical complex, since a significant part of the operational actions is carried out directly with the tip of the medical instrument, for example, suturing, coagulation, etc.
[009] Помимо обеспечения управления, контроллер необходим для тактильного ощущения взаимодействия с роботохирургической системой, что является важной особенностью для повышения эффективности операций, проведенных с помощью таких систем. При этом, диапазоны движения контроллера управления ограничены как механическими особенностями реализации, так и биологическими особенностями строения человеческой руки, запястья, кисти. [009] In addition to providing control, the controller is required for a tactile sensation of interaction with the robotic surgical system, which is an important feature for improving the efficiency of operations performed using such systems. At the same time, the ranges of motion of the control controller are limited both by the mechanical features of the implementation and by the biological features of the structure of the human hand, wrist, hand.
[010] Немаловажным фактором является обеспечение удобства и эргономичности такого рода контроллеров управлений, так как операции могут занимать продолжительное время, что не должно влиять на утомляемость и усталость оператора-хирурга. [010] An important factor is to ensure the convenience and ergonomics of this kind of controllers, since the operations can take a long time, which should not affect the fatigue and fatigue of the operator-surgeon.
[011] Таким образом, существует потребность в создании контроллера запястья, входящего в состав контроллера управления для роботизированной хирургической системы, с минимально возможной нагрузкой веса на руку, и обеспечивающего точное преобразование механических вращений запястья хирурга вокруг двух осей в управляющие воздействия на хирургический инструмент, с возможностью обратного преобразования цифрового сигнала в управляющие воздействия на контроллер запястья для обеспечения тактильной связи. [011] Thus, there is a need to provide a wrist controller that is part of a control controller for a robotic surgical system, with the lowest possible weight load on the arm, and that accurately converts mechanical rotations of the surgeon's wrist around two axes into control actions on a surgical instrument, with the ability to reverse the conversion of a digital signal into control actions on the wrist controller to provide tactile communication.
[012] Примером таких разработок является контроллер управления, раскрытый в заявке US 2014192020 А1. Контроллер обеспечивает по меньшей мере три вращательные степени свободы и крепится на устройство с параллельной кинематической структурой, которое обеспечивает по меньшей мере три поступательные степени свободы. Конструктивно контроллер содержит три вращательных шарнирных соединения, каждое из которых обеспечивает вращательную степень свободы относительно локальной точки соединения рукоятки с устройством, обеспечивающим поступательные перемещения, и содержит по меньшей мере один датчик положения вращения и по меньшей мере один привод. Данная конструкция позволяет передавать тактильную обратную связь на контроллер управления. [012] An example of such developments is the control controller disclosed in US application 2014192020 A1. The controller provides at least three rotational degrees of freedom and is attached to a parallel kinematic device that provides at least three translational degrees of freedom. Structurally, the controller contains three rotary articulated joints, each of which provides a rotational degree of freedom relative to the local point of connection of the handle with the device providing translational movements, and contains at least one rotation position sensor and at least one actuator. This design allows tactile feedback to be transmitted to the control controller.
[013] Описываемый контроллер управления условно состоит из двух различных систем - контроллера запястья и контроллера кисти, необходимых для обеспечения соответствующих степеней свободы. [013] The described control controller conventionally consists of two different systems, a wrist controller and a hand controller, necessary to provide the corresponding degrees of freedom.
[014] Особый интерес представляет вариант конструкции контроллера запястья, который описывает вращения по осям крена и тангажа, реализованные шарнирными соединениями. Установленные в шарнирных соединениях приводы позволяют реализовать тактильную обратную связь для запястья оператора в случае необходимости. Во время работы оператора общий центр вращения располагается внутри ладони пользователя между большим и контактирующим с захватом пальцами. Для обеспечения контакта с пальцами используется захват, который крепится к вращательному соединению. Для компенсации силы тяжести для контроллера запястья используется противовесная конструкция. [014] Of particular interest is the design of the wrist controller that describes roll and pitch rotations implemented by pivot joints. Mounted in the pivot joints, the actuators provide tactile feedback to the operator's wrist when needed. When the operator is working, the common center of rotation is located within the user's palm between the thumb and the fingers in contact with the grip. To ensure contact with the fingers, a grip is used that attaches to the rotary joint. The wrist controller uses a counterweight design to compensate for gravity.
[015] К существенным недостаткам рассматриваемого прототипа относится: [015] Significant disadvantages of the considered prototype include:
1. Расположение шарнирного соединения в контроллере запястья слева для правой руки и нахождение шарнирного соединения справа для конструкции контроллера для левой руки значительно уменьшают рабочую области для поступательных движений в случае сведения рук оператором-хирургом . 1. Locating the swivel in the wrist controller on the left for the right hand and locating the swivel on the right for the left-handed controller design significantly reduce the translational work area when the surgeon is holding hands together.
2. Конструкция контроллера запястья не гарантирует жесткость, а как следствие точность работы конструкции, что является немаловажным фактором для задающего устройства при проведении роботохирургической операции. 2. The design of the wrist controller does not guarantee rigidity, and as a consequence, the accuracy of the design, which is an important factor for the driver during robotic surgery.
3. Ограничение диапазона вращения контроллера запястья относительно оси тангажа из-за геометрической формы охвата и из-за расположения оси тангажа, которая изначально отклонена относительно оси крена. Такое начальное положение необходимо для обеспечения параллельности плоскостей охвата и пластины, при помощи которой устройство активного захвата крепится к устройству с параллельной кинематической структурой. 3. Limiting the range of rotation of the wrist controller relative to the pitch axis due to the geometric shape of the sweep and due to the location of the pitch axis, which is initially deflected relative to the roll axis. This initial position is necessary to ensure the parallelism of the gripping planes and the plate by means of which the active gripper device is attached to the device with a parallel kinematic structure.
4. Ограничение диапазона вращения контроллера запястья относительно оси крена из-за геометрической формы охвата, устроенной таким образом, чтобы обеспечивать удобное расположение запястья оператора-хирурга в начальный момент времени. Однако, во время проведения хирургической операции, в случае необходимости наклонения контроллера запястья вперед относительно оси крена, могут возникнут затруднения, связанные с физиологическими особенностями строения человеческого запястья, так как начальное наклонение контроллера управления вынуждает оператора задействовать движение локтями для обеспечения больших углов по оси крена. [016] Существующие разработки контроллера запястья, входящего в состав контроллера управления, не позволяют в одной известной конструкции решить следующую совокупность проблем: 4. Restriction of the range of rotation of the wrist controller relative to the roll axis due to the geometric shape of the coverage, designed in such a way as to provide a comfortable positioning of the wrist of the operator-surgeon at the initial moment of time. However, during a surgical operation, if it is necessary to tilt the wrist controller forward relative to the roll axis, difficulties may arise associated with the physiological features of the structure of the human wrist, since the initial tilt of the control controller forces the operator to use elbow movement to provide large angles along the roll axis. [016] The existing developments of the wrist controller included in the control controller do not allow one known design to solve the following set of problems:
[017] 1. Обеспечение жесткости конструкции, что гарантирует точность измерения положении запястья оператора. [017] 1. Provides structural rigidity to ensure accurate measurement of the operator's wrist position.
[018] 2. Эргономичность и удобство активного устройства захвата, учитывающие биологические особенности строения запястья человека. [018] 2. Ergonomics and convenience of the active gripping device, taking into account the biological features of the structure of the human wrist.
[019] 3. Наличие механических особенностей конструкции, которые могут косвенно влиять на перемещение и вращение контроллера запястья в рабочей области, в частности, конструкция должна быть легкой, чтобы оператору не приходилось прилагать лишних усилий. [019] 3. The presence of mechanical design features that can indirectly affect the movement and rotation of the wrist controller in the work area, in particular, the design should be lightweight so that the operator does not have to exert unnecessary effort.
[020] 4. Отсутствие достаточной рабочей области, позволяющей совершать все необходимые операционные воздействия при помощи контроллера запястья, не прилагая при этом дополнительных движений локтями. [020] 4. Lack of sufficient working area, allowing to perform all the necessary operational actions using the wrist controller, without applying additional movements of the elbows.
[021] 5. Наличие по меньшей мере одного привода на каждой оси вращения для обеспечения тактильной обратной связи. [021] 5. The presence of at least one actuator on each axis of rotation to provide tactile feedback.
[022] Именно решению перечисленных проблем посвящена данная заявка. [022] This application is dedicated to the solution of the listed problems.
Суть изобретения The essence of the invention
[023] Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание контроллера запястья, входящего в состав контроллера управления, который обеспечивает для хирурга возможность усовершенствованного, более маневренного и точного управления элементом роботизированного технологического комплекса с увеличенной, эргономически удобной рабочей областью как контроллера управления в целом, так и контроллера запястья. [023] The technical problem to be solved by the present invention is to create a wrist controller, which is part of the control controller, which provides the surgeon with the possibility of improved, more maneuverable and precise control of an element of a robotic technological complex with an enlarged, ergonomically convenient working area as a control controller in general as well as the wrist controller.
[024] При этом контроллер запястья должен наиболее точно на всей амплитуде и при всех углах контролировать как минимум один угол поворота запястья руки оператора, преобразуя эту информацию в цифровой сигнал, передаваемый на управляемый элемент роботизированного технологического комплекса. [024] In this case, the wrist controller must most accurately control at least one angle of rotation of the operator's wrist over the entire amplitude and at all angles, converting this information into a digital signal transmitted to the controlled element of the robotic technological complex.
[025] Дополнительно контроллер запястья должен реализовывать канал обратной связи от управляемого элемента роботизированного технологического комплекса системы управления, преобразуя цифровой управляющий сигнал в механическое перемещение - поворот запястья руки оператора. [025] Additionally, the wrist controller must implement a feedback channel from the controlled element of the robotic technological complex of the control system, converting the digital control signal into mechanical movement - the rotation of the operator's wrist.
[026] Дополнительно контроллер запястья должен снижать статическую и динамическую нагрузку на запястье руки оператора во время работы, обеспечивая минимальную нагрузку веса на запястье руки при управлении. [026] In addition, the wrist controller should reduce the static and dynamic stress on the operator's wrist during operation, while maintaining a minimum weight load on the wrist during operation.
[027] Дополнительно контроллер запястья должен преобразовывать движения запястья оператора в цифровую форму, не создавая существенных ограничений естественной подвижности руки оператора. [028] С целью решения поставленных задач контроллер запястья оператора совместно с контроллером кисти образует управляющую ручку, используемую в составе контроллера оператора для управления роботохирургическим комплексом. Контроллер запястья оператора включает блок механизма поворота, который имеет верхнюю часть и нижнюю часть, корпус эргономичной формы; блок механизма поворота функционально сконфигурирован для соединения с другим элементом, входящим в состав контроллера оператора, который предназначен для обеспечения функции перемещения манипулятора с хирургическим инструментом по трем взаимно ортогональным осям, и независимого поворота вокруг заранее заданного центра, повторяющего поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора, для обеспечения функции вращения манипулятора с хирургическим инструментом вокруг одной оси; по меньшей мере один блок подвижной консоли, который представляет собой плоский незамкнутый механизм параллельной жесткой структуры, состоящий из трех звеньев и трех кинематических пар; блок подвижной консоли функционально сконфигурирован для крепления с одной стороны к верхней части блока механизма поворота, а с другой - к верхней части рукоятки, охватываемой и удерживаемой всей поверхностью кисти оператора во время работы, которая также входит в состав контроллера оператора, и поворота, повторяющего поворот кисти оператора во фронтальной плоскости вокруг переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости, для обеспечения функции поворота хирургического инструмента вокруг одной оси. При этом внутри корпуса блока механизма поворота расположены: блок управления контроллера запястья, по меньшей мере один датчик поворота блока подвижной консоли, обеспечивающий электрические сигналы, соответствующие изменению положения блока подвижной консоли относительно блока механизма поворота при повороте кисти оператора, охватывающей рукоятку, во фронтальной плоскости вокруг переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости и передающий их на блок управления контроллера запястья, приводной элемент блока подвижной консоли. При этом на внешней стороне корпуса блока механизма поворота расположены: датчик поворота блока механизма поворота, обеспечивающий электрические сигналы, соответствующие изменению положения блока механизма поворота относительно заранее заданного центра при повороте лучевой кости вместе с кистью оператора вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора и передающий их на блок управления контроллера запястья, приводной элемент блока механизма поворота, причем датчик поворота блока механизма поворота расположен на оси вращения приводного элемента блока механизма поворота. Причем блок управления контроллера запястья функционально сконфигурирован для передачи полученных сигналов на цифровой блок контроллера оператора и на внешнюю систему управления роботохирургическим комплексом для передачи движения блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли в соответствующее независимое движение манипулятора с хирургическим инструментом и/или хирургического инструмента, 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 для передачи движения манипулятора с хирургическим инструментом и/или хирургического инструмента в соответствующее независимое движение указанных блоков. [027] Additionally, the wrist controller must digitize the operator's wrist movements without significantly limiting the natural mobility of the operator's hand. [028] In order to solve the set tasks, the operator's wrist controller together with the hand controller forms a control handle used as part of the operator's controller for controlling the robotic surgical complex. The operator's wrist controller includes a pivot assembly that has an upper and a lower portion, an ergonomically shaped housing; the rotation mechanism block is functionally configured for connection with another element that is part of the operator's controller, which is designed to provide the function of moving the manipulator with a surgical instrument along three mutually orthogonal axes, and independent rotation around a predetermined center, repeating the rotation of the radius together with the hand around the ulnar bones relative to the longitudinal axis of the operator's hand, to ensure the function of rotation of the manipulator with a surgical instrument around one axis; at least one block of the movable console, which is a flat open mechanism of a parallel rigid structure, consisting of three links and three kinematic pairs; the movable console unit is functionally configured to be attached on one side to the top of the swing mechanism unit and, on the other, to the top of the handle, which is covered and held by the entire surface of the operator's hand during operation, which is also part of the operator's controller, and pivot that repeats the swing the operator's hand in the frontal plane around the anteroposterior axis lying in the sagittal plane to provide the function of rotating the surgical instrument around one axis. At the same time, the following are located inside the body of the rotation mechanism unit: a wrist controller control unit, at least one rotation sensor of the movable console unit, which provides electrical signals corresponding to a change in the position of the movable console unit relative to the rotation mechanism unit when the operator's hand is turned around the handle in the frontal plane around the anteroposterior axis lying in the sagittal plane and transmitting them to the control unit of the wrist controller, the drive element of the movable console unit. At the same time, on the outer side of the body of the rotation mechanism unit, there are: a rotation sensor of the rotation mechanism unit, which provides electrical signals corresponding to a change in the position of the rotation mechanism unit relative to a predetermined center when the radius is rotated together with the operator's hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand and transmitting them to the control unit of the wrist controller, a drive element of the rotation mechanism unit, and the rotation sensor of the rotation mechanism unit is located on the rotation axis of the drive element of the rotation mechanism unit. Moreover, the control unit of the wrist controller is functionally configured to transmit the received signals to the digital unit of the operator controller and to the external control system of the robotic surgical complex to transfer the movement of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit to the corresponding independent movement of the manipulator with the surgical instrument and / or surgical instrument, obtaining control signals from the external control system of the robotic surgical complex and their transmission to the drive element of the rotation mechanism unit and / or a drive element of the movable console unit for transmitting the movement of the manipulator with the surgical instrument and / or the surgical instrument into the corresponding independent movement of the said units.
[029] В некоторых вариантах изобретения корпус блока механизма поворота имеет эргономичную форму и выполнен с углублением таким образом, чтобы иметь возможность максимально приблизить корпус рукоятки, полностью охватываемой кистью оператора, и обеспечить при этом полную траекторию перемещения указанной рукоятки. [029] In some embodiments, the pivot assembly housing is ergonomically recessed and recessed to approximate the handle housing as close as possible to the operator's wrist while still providing full travel path for the handle.
[030] В некоторых вариантах изобретения цифровой блок управления контроллера оператора формирует управляющие сигналы через блок управления запястья на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли для обеспечения поворота указанных блоков в сторону, совпадающую с поворотом кисти оператора вместе с лучевой костью вокруг локтевой кости и/или при отклонении кисти оператора в сторону локтевой кости или в сторону, противоположную повороту кисти и/или отведению кисти соответственно. [030] In some embodiments of the invention, the digital control unit of the operator controller generates control signals through the wrist control unit to the drive element of the pivot mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit to provide rotation of these units in the direction coinciding with the rotation of the operator's hand together with the radius around the ulna and / or when the operator's hand is deflected towards the ulna or to the side opposite to the rotation of the hand and / or abduction of the hand, respectively.
[031] В некоторых вариантах изобретения в нижней части корпуса блока механизма поворота смонтирована система грузов обеспечения равновесия в статическом положении и нахождения в вертикальном положении. [031] In some embodiments of the invention, a static balance and vertical balance weight system is mounted at the bottom of the pivot housing.
[032] В некоторых вариантах изобретения приводной элемент блока подвижной консоли механически связан с блоком подвижной консоли при помощи гибкой передачи. [032] In some embodiments of the invention, the drive member of the movable arm assembly is mechanically coupled to the movable arm assembly using a flexible transmission.
[033] Указанные задачи решаются за счет изменения конфигурации конструкции контроллера в целом, и в частности, составляющего элемента контроллера - контроллера запястья. [033] These problems are achieved by changing the configuration of the controller as a whole, and in particular, the constituent element of the controller - the wrist controller.
[034] Решение относится к категории контроллеров, предназначенных для манипулирования как объектом, и не требует обязательного механического закрепления руки оператора на элементах конструкции, но данная возможность присутствует. [034] The solution belongs to the category of controllers designed to manipulate as an object, and does not require the mandatory mechanical fastening of the operator's hand to the structural elements, but this possibility is present.
[035] Объекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны специалистам после рассмотрения следующего подробного описания и чертежей. [035] 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
[036] 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. [036] The accompanying drawings, which are incorporated and form part of the present specification, illustrate embodiments of the invention and together with the foregoing general description of the invention and the following detailed description of the embodiments serve to explain the principles of the present invention.
[037] Фиг. 1 иллюстрирует перспективный вид контроллера оператора по настоящему изобретению, предназначенного для управления оператором мехатронными устройствами. [037] FIG. 1 illustrates a perspective view of an operator controller of the present invention for operator control of mechatronic devices.
[038] Фиг. 2а и Фиг. 26 иллюстрируют общий вид контроллера запястья для использования в составе управляющей ручки контроллера оператора для управления роботохирургическим комплексом без корпуса и в корпусе соответственно. [039] Фиг. 3 схематически отражает плоскости, в которых осуществляются движения кисти оператора в лучезапястном суставе. [038] FIG. 2a and FIG. 26 illustrates a general view of a wrist controller for use in the control handle of an operator controller for controlling a robotic surgical system without a housing and in a housing, respectively. [039] FIG. 3 schematically reflects the planes in which the operator's hand moves in the wrist joint.
[040] Фиг. 4 иллюстрирует общий вид роботохирургического комплекса. [040] FIG. 4 illustrates a general view of the robotic surgical complex.
[041] Фиг. 5 иллюстрирует общий вид контроллера запястья с прикрепленным к нему контроллером кисти, в том числе крепление гибкой передачи для вынесения приводного элемента, крепление приводного элемента для блока механизма поворота, входящего в состав контроллера запястья. [041] FIG. 5 illustrates a general view of a wrist controller with a hand controller attached thereto, including a flex transmission attachment for carrying a drive element, a drive element attachment for a pivot unit included in the wrist controller.
[042] Фиг. 6 иллюстрирует сборочный чертеж печатной платы для установки цифрового магнитного энкодера. [042] FIG. 6 illustrates an assembly drawing of a printed circuit board for installing a digital magnetic encoder.
[043] На фиг. 7 изображена трехмерная модель силовой печатной платы. [043] FIG. 7 shows a 3D model of a power printed circuit board.
[044] На фиг. 8 изображена трехмерная модель печатной платы управления. [044] FIG. 8 shows a three-dimensional model of the control PCB.
[045] Фиг. 9 схематически отражает пример контроллера запястья без корпуса с установленными печатными платами согласно настоящему изобретению. [045] FIG. 9 schematically depicts an example of an unpackaged wrist controller with printed circuit boards installed according to the present invention.
Термины и определения Terms and Definitions
[046] 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. [046] 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.
[047] 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». [047] 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.
[048] 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 робота-ассистента 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. [048] 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 a robotic assistant during an operation. "Robot assistive systems" or "robotic assisted surgical systems" are robotic systems designed to perform medical operations. These are not autonomous devices, robotic assistive systems are controlled by surgeons during the operation.
[049] В настоящих материалах заявки под термином «мехатронный комплекс» или «мехатронная система» понимают комплекс или систему с компьютерным управлением движения, которые базируются на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов. [049] In these application materials, the term "mechatronic complex" or "mechatronic system" means a complex or system with computer control of motion, 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.
[050] В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача- хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами. [050] In this application, the term "operator" refers to the performing the operation of the surgeon. The terms "operator" and "surgeon" in the present specification are synonyms.
[051] В настоящей заявке используются следующие термины для описания движений кисти в лучезапястном суставе (фиг. 3). Движения кисти происходят вокруг двух осей, когда кисть находится в анатомическом положении, т.е., в положении полной супинации. [051] In this application, the following terms are used to describe hand movements in the wrist joint (Fig. 3). 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.
[052] Поперечная ось АА' лежит во фронтальной плоскости Т и контролирует движения сгибания и разгибания, осуществляемые в сагиттальной плоскости: [052] 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.
[053] Переднезадняя ось ВВ' лежит в сагиттальной плоскости S и контролирует движения приведения и отведения, происходящие во фронтальной плоскости: [053] 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 предплечь - 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
[054] Продольная ось СС' лежит на пересечении сагиттальной плоскости S и фронтальной плоскости Т, контролирует движения вращения кисти: [054] The longitudinal axis CC 'lies at the intersection of the sagittal plane S and the frontal plane T, controls the movement of rotation of the hand:
- поворот лучевой кости (стрелка 5) вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси. - rotation of the radius (arrow 5) together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis.
[055] 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, в том числе удаленных мехатронных устройствах. [055] Under the term "universal" in terms of its use in relation to the controller in this document, the controller is raised, which "digitizes" the operator's hand and allows you not to train the operator's hand for each new tool without subsequent 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, including remote mechatronic devices.
[056] Пот термином «абсолютная положение» в данной документе понимают координату, определенную относительно неподвижного элемента конструкции. [056] Sweat by the term "absolute position" in this document means a coordinate defined relative to a fixed structural member.
[057] Под термином «датчик поворота» в данном документе понимают устройство, предназначенное для преобразования утла 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. [057] 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. In principle, all types of angle encoders are suitable for determining the value of the angle of rotation of an 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 angle sensors and / or magnetic sensors can also be used. angle of rotation.
[058] 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. [058] 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.
[059] Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов). [059] 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
[060] 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. [060] 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.
[061] Контроллер относится к классу механизмов, обеспечивающих преобразование в электронный цифровой сигнал команд, которые человек задает движением руки. Общий вид контроллера изображен на фиг. 1. Контроллер командный цифровой 1000 в целом состоит из управляющей ручки 1100, блока-платформы позиционирования 1200 и цифрового блока управления (не показан на чертеже). [061] The controller belongs to the class of mechanisms that ensure the conversion into an electronic digital signal of commands that a person sets with a movement of the hand. The general view of the controller is shown in Fig. 1. The digital command controller 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).
[062] 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. [062] 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.
[063] Контакт контроллера 1000 с рукой реализуется на управляющей ручке 1100. Управляющая ручка 1100 в целом состоит из контроллера кисти 100 и прикрепленного к нему контроллера запястья 200, каждый из которых обеспечивает по две вращательные степени свободы контроллера 1000. 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. [063] Hand contact of the controller 1000 is realized at the control handle 1100. The control handle 1100 generally consists of a hand controller 100 and an attached wrist controller 200, each of which provides two rotational degrees of freedom of 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. 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.
[064] Настоящее изобретение в целом относится к контроллеру запястья оператора 200. [064] The present invention generally relates to an operator wrist controller 200.
[065] Контроллер запястья 200 оператора используется в составе контроллера для управления мехатронным комплексом, в частности, является элементом управляющей ручки 1100, на которой реализуется контакт контроллера 1000 с рукой оператора. [065] The controller of the operator's wrist 200 is used as part of the controller for controlling the mechatronic complex, in particular, it is an element of the control handle 1100, on which the controller 1000 contacts the operator's hand.
[066] Главным предназначением контроллера запястья, прикрепляемого к одному из концов контроллера кисти, является реализация контакта и взаимодействия через кисть с запястьем оператора и обеспечение по меньшей мере двух вращательных степеней свободы как для реализации ориентации элемента мехатронного комплекса в ответ на поворот запястья оператора, так и для передачи усилий на запястье оператора при в режиме обратной связи. [066] The main purpose of a wrist controller attached to one end of the wrist controller is to provide contact and interaction through the wrist with the wrist. operator and providing at least two rotational degrees of freedom both for realizing the orientation of an element of the mechatronic complex in response to the rotation of the operator's wrist, and for transferring forces to the operator's wrist when in the feedback mode.
[067] Контроллер запястья выполнен с возможностью наиболее точно на всей амплитуде 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 кисти в этих плоскостях. [067] The wrist controller is configured to most accurately determine the angle of rotation of the wrist in two orthogonal directions relative to a given center of rotation (relative to the place of attachment of the wrist controller to the hand controller) over the entire amplitude 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 hand in these planes.
[068] Контроллер запястья имеет в составе по меньшей мере два блока, которые обеспечивают две степени свободы запястья, и блок управления контроллера запястья. Ниже приводится более детальное описание одного из предпочтительных вариантов осуществления контроллера запястья для использования его в контроллере оператора. Общий вид контроллера запястья представлен на фиг. 2а. [068] The wrist controller has at least two units that provide two degrees of freedom for the wrist and a wrist controller control unit. The following is a more detailed description of one preferred embodiment of a wrist controller for use in an operator controller. A general view of the wrist controller is shown in FIG. 2a.
[069] Контроллер запястья включает по меньшей мере один блок подвижной консоли 210 и неподвижный (относительно блока консоли) блок механизма поворота 220. Блок механизма поворота 220 представляет по существу вертикально расположенную площадку крепления 221 блока подвижной консоли 210 и имеет верхнюю часть и нижнюю часть. Блок подвижной консоли 210 с одной стороны выполнен с возможностью крепления к контроллеру кисти 100, а с другой - жестко связан с блоком механизма поворота 220. [069] The wrist controller includes at least one movable console unit 210 and a stationary (relative to the console unit) pivot unit 220. The pivot unit 220 represents a substantially vertically located attachment area 221 of the movable console unit 210 and has an upper portion and a lower portion. The block of the movable console 210 is, on the one hand, adapted to be attached to the hand controller 100, and on the other hand, is rigidly connected to the block of the rotation mechanism 220.
[070] В предпочтительном варианте осуществления контроллера запястья 200 согласно настоящему изобретению блок подвижной консоли 210 закреплен в верхней части блока механизма поворота 220. Такое взаимное расположение обусловлено конфигурацией обоих блоков и предназначено для удобства оператора, в частности, для того, чтобы в процессе работы блок подвижной консоли 210 не касался коленей оператора, что обеспечивает комфортную рабочую область. Более того, такая конструкция позволяет уменьшить габаритные размеры контроллера оператора, в состав которого входит контроллер запястья. Также конструкция позволяет увеличить рабочую область оператора, так как позволит сводить руки оператора максимально близко друг к другу. [070] In a preferred embodiment of the wrist controller 200 according to the present invention, the movable console unit 210 is fixed to the top of the pivot unit 220. This arrangement is due to the configuration of both units and is intended for the convenience of the operator, in particular so that during operation the unit the movable console 210 does not touch the operator's knees, which provides a comfortable working area. Moreover, this design reduces the overall dimensions of the operator controller, which includes the wrist controller. Also, the design allows you to increase the operator's working area, as it will allow the operator's hands to be kept as close to each other as possible.
[071] В некоторых вариантах осуществления контроллер запястья может быть выполнен в виде блока механизма поворота, в верхней части и в нижней части которого закреплены соответствующие блоки подвижной консоли. [071] In some embodiments, the wrist controller may be a pivot assembly with corresponding movable arm assemblies attached to the top and bottom of which.
[072] Способ крепления блока подвижной консоли 210 с неподвижным блоком механизма поворота 220 и с контроллером кисти 100 может быть выбран из любого известного подходящего способа крепления. Как правило, крепление осуществляют посредством подшипникового узла. Кроме того, данное крепление возможно реализовать с использованием втулки скольжения. [073] Структура блока подвижной консоли 210, обеспечивающая одну степень свободы относительно блока механизма поворота 220 (звена, принятого за неподвижное, хотя при движении контроллера запястья сам блок механизма поворота перемещается), представляет собой плоский незамкнутый механизм параллельной жесткой структуры, состоящий из трех звеньев и трех кинематических пар. Основными элементами указанного механизма являются: а) стойка, б) коромысло, в) коромысло, обеспечивающие качательное движение (отведение и приведение) кисти в лучезапястном суставе во фронтальной плоскости. Качательное движение осуществляется относительно оси кисти, которая в исходном положении лежит в плоскости, проходящей через средний палец и третью пястную кость, и продольную ось предплечья (кисть совершает качательное движение относительно переднезадней оси ВВ' во фронтальной плоскости Т (движения обозначены стрелкой 3 и стрелкой 4 на фиг.З). Амплитуда этих движений измеряется от оси кисти. Объем этого движения может варьировать от 30° до 55° в зависимости от физиологических возможностей оператора. По сравнению с имеющимися конструкциями данная конструкция позволяет увеличить амплитуду вращения запястья по этой оси и расширить рабочую область контроллера оператора так, что при опускании контроллера не возникнет столкновения с коленями оператора. [072] The method of securing the movable arm assembly 210 to the stationary pivot assembly 220 and to the hand controller 100 may be selected from any suitable known attachment method. As a rule, fastening is carried out by means of a bearing assembly. In addition, this attachment can be realized using a sliding sleeve. [073] The structure of the movable cantilever unit 210, which provides one degree of freedom with respect to the pivot unit 220 (the link assumed to be stationary, although the pivot unit itself moves when the wrist controller moves), is a flat, open mechanism of a parallel rigid structure, consisting of three links and three kinematic pairs. The main elements of this mechanism are: a) a stand, b) a rocker, c) a rocker that provides a swinging movement (abduction and adduction) of the hand in the wrist joint in the frontal plane. The swinging movement is carried out relative to the axis of the hand, which in the initial position lies in the plane passing through the middle finger and the third metacarpal bone, and the longitudinal axis of the forearm (the hand performs a swinging movement relative to the anteroposterior axis BB 'in the frontal plane T (movements are indicated by arrow 3 and arrow 4 The amplitude of these movements is measured from the axis of the hand. The volume of this movement can vary from 30 ° to 55 ° depending on the physiological capabilities of the operator. Compared to existing designs, this design allows you to increase the amplitude of rotation of the wrist along this axis and expand the working the area of the operator's controller so that when the controller is lowered, there will be no collision with the operator's knees.
[074] Независимо от того, движется ли контроллер запястья или нет, характер движения блока подвижной консоли относительно блока механизма поворота остается неизменным. [074] Regardless of whether the wrist controller moves or not, the movement pattern of the movable console unit relative to the rotation unit remains unchanged.
[075] Блок механизма поворота 220 закреплен на контроллере руки 1200 таким образом, чтобы иметь возможность вращения относительно продольной оси контроллера руки 1200 (данная ось показана на фиг.2а), обеспечивая при этом одну степень свободы. Для запястья оператора такой поворот блока механизма поворота 220 - обычный поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси. [075] The pivot assembly 220 is attached to the arm controller 1200 so as to be rotatable about the longitudinal axis of the arm controller 1200 (this axis is shown in FIG. 2a) while providing one degree of freedom. For the operator's wrist, such a rotation of the rotation unit 220 is a normal rotation of the radius with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis.
[076] Блок механизма поворота имеет корпус эргономичной формы, внутри которого располагается рама, являющаяся по существу вертикальной площадкой 221. На раме блока механизма поворота смонтированы элементы указанного блока таким образом, чтобы обеспечить максимальную компактность конструкции и оптимальную развесовку блока. В некоторых вариантах осуществления на нижней части площадки 221 находится система грузов, которая крепится на нижней части рамы, для обеспечения равновесия в статическом положении и нахождения в вертикальном положении. Вес системы грузов можно определить расчетным путем исходя из интегрирования. Вес системы грузов и ее расположение рассчитывается из условия равновесия моментов вращений. [076] The pivot assembly has an ergonomically shaped housing within which a frame is located, which is a substantially vertical platform 221. Elements of the pivot assembly are mounted on the pivot assembly frame in such a way as to maximize the compactness of the structure and optimal weight distribution of the unit. In some embodiments, a weight system is located on the bottom of the platform 221 that attaches to the bottom of the frame to provide balance in a static position and in an upright position. The weight of the weight system can be determined by calculation based on the integration. The weight of the system of loads and its location is calculated from the condition of equilibrium of the moments of rotation.
[077] Форма корпуса 222 блока механизма поворота 220 имеет такую геометрию, чтобы иметь возможность максимально приблизить контроллер кисти и обеспечить при этом полную траекторию перемещения контроллера кисти 100 (фиг. 26). В предпочтительном варианте осуществления контроллера запястья 200 согласно изобретению корпус 222 имеет форму параллелипипеда, одна сторона которого, обращенная в сторону расположения контроллера кисти 100, имеет вогнутую поверхность небольшого радиуса. Использование корпуса 222 такой эргономичной формы обеспечивает максимальную компактность конструкции и оптимальную развесовку блока. [077] The shape of the housing 222 of the pivot mechanism 220 assembly is geometrically such as to be able to bring the hand controller as close as possible while providing the full path of movement of the hand controller 100 (FIG. 26). In the preferred embodiment of the wrist controller 200 according to the invention, the body 222 is shaped like a parallelepiped, one side of which, facing towards the hand controller 100, has a small radius concave surface. Using case 222 is ergonomic shape provides maximum compactness of the design and optimal weight distribution of the unit.
[078] Блок механизма поворота 220 контроллера запястья включает следующие элементы: приводной элемент 223 блока подвижной консоли, датчик поворота блока механизма поворота, приводной элемент 224 блока механизма поворота, по меньшей мере один блок управления контроллера запястья и/или контроллера кисти (не показан на фиг. 2), выполненный с возможностью считывания сигналов с датчиков поворота блока механизма поворота и блока подвижной консоли и подачи управляющих сигналов на приводные элементы указанных блоков. В предпочтительных вариантах осуществления блок механизма поворота 220 также включает датчик поворота блока подвижной консоли. На фиг. 2 отражены возможные варианты расположения и крепления 225 датчика поворота блока подвижной консоли. В некоторых вариантах осуществления возможна установка нескольких датчиков поворотов блока подвижной консоли. Установка избыточного количества датчиков поворота позволит повысить точность измерения угла наклона запястья и предоставит возможность использования алгоритмов коррекции угла. Предпочтительный вариант расположения датчика поворота блока механизма поворота, измеряющего угол наклона механизма поворота, указан позицией 226. [078] The wrist controller pivot assembly 220 includes the following elements: a movable console unit drive member 223, a pivot unit rotation sensor, a pivot unit drive member 224, at least one wrist controller and / or hand controller control unit (not shown in Fig. 2), configured to read signals from the rotation sensors of the rotation mechanism unit and the movable console unit and supply control signals to the drive elements of these units. In preferred embodiments, the rotation unit 220 also includes a moveable arm unit rotation sensor. FIG. 2 shows the possible options for the location and fastening 225 of the rotation sensor of the movable console unit. In some embodiments, it is possible to install multiple rotation sensors of the movable console unit. Installing an excessive number of rotation sensors will improve the accuracy of measuring the angle of the wrist and provide an opportunity to use angle correction algorithms. The preferred arrangement of the rotation sensor of the rotation unit measuring the angle of inclination of the rotation mechanism is indicated at 226.
[079] В одном из вариантов осуществления внутри корпуса 222 контроллера запястья расположена рама 221, на которой смонтированы датчик поворота блока подвижной консоли, приводной элемент 223 блока подвижной консоли, механически связанный с блоком подвижной консоли 210, например, при помощи гибкой передачи или любым другим известным способом, и по меньшей мере один блок управления контроллера запястья и/или контроллера руки. Все перечисленные элементы электрически связаны между собой. Датчик поворота блока подвижной консоли расположен таким образом, чтобы определять абсолютное положение указанной консоли (угол) при осуществлении ее поворота, повторяющего поворот кисти относительно переднезадней оси, которая лежит в сагиттальной плоскости и контролирует движения приведения и отведения, происходящие во фронтальной плоскости. [079] In one embodiment, a frame 221 is disposed within the wrist controller housing 222, on which a moveable arm unit rotation sensor is mounted, a movable arm unit actuator 223 mechanically coupled to the movable arm unit 210, for example, via flex or any other in a known manner, and at least one control unit of the wrist controller and / or the hand controller. All of these elements are electrically connected to each other. The rotation sensor of the movable console unit is located so as to determine the absolute position of the specified console (angle) when it is rotated, repeating the rotation of the hand relative to the anteroposterior axis, which lies in the sagittal plane and controls the adduction and abduction movements occurring in the frontal plane.
[080] В одном из вариантов осуществления контроллера запястья согласно изобретению на корпусе 222 неподвижного блока механизма поворота со стороны, противоположной вогнутой поверхности, закреплена площадка крепления, выполненная в виде пластины. Пластина предпочтительно выполнена плоской. Геометрия пластины может быть выбрана любой, не выходящей за пределы корпуса. На внешней стороне указанной пластины смонтирован приводной элемент 224 блока механизма поворота для осуществления его поворота вокруг заранее заданного центра, повторяющий поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора. [080] In one embodiment of the wrist controller according to the invention, a plate-shaped attachment plate is attached to the body 222 of the fixed rotation unit on the side opposite to the concave surface. The plate is preferably flat. Any geometry of the insert can be chosen without going beyond the body. On the outer side of the said plate, a drive element 224 of the rotation mechanism unit is mounted for its rotation around a predetermined center, repeating the rotation of the radius together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand.
[081] Приводной элемент 224 блока механизма поворота может крепиться другой своей стороной к платформе позиционирования контроллера 1200 таким образом, чтобы в том числе передавать на него вес контроллера запястья и контроллера кисти. [082] В одном из вариантов осуществления датчик поворота блока механизма поворота расположен на оси вращения приводного элемента. Хотя указанный датчик может быть расположен в любом другом месте таким образом, чтобы определять абсолютное положение блока механизма поворота относительно контроллера кисти. Указанные элементы электрически связаны между собой и с блоком управления контроллера запястья. [081] The pivot unit drive member 224 may be attached to its other side to the positioning platform of the controller 1200 so as to transfer the weight of the wrist controller and the hand controller to it. [082] In one embodiment, the rotation sensor of the rotation mechanism assembly is located on the axis of rotation of the drive member. Although the specified sensor can be located anywhere else in such a way as to determine the absolute position of the rotation mechanism block relative to the hand controller. These elements are electrically connected to each other and to the control unit of the wrist controller.
[083] 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. [083] The use of at least one angle detection sensor for each rotational degree of freedom allows the absolute position of the tilt angle 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.
[084] Контроллер запястья, как и остальные элементы контроллера, может работать как в фазе передачи команд от запястья руки контроллеру запястья, так и в фазе передач команд от контроллера запястья - запястью руки (режим обратной связи). При решении контроллером запястья прямой задачи осуществляется контроль угла поворота запястья во фронтальной плоскости относительно переднезадней оси кисти (приведение и отведение кисти, отклонение кисти оператора в сторону локтевой кости), а также контроль поворота запястья вокруг заранее заданного центра, повторяющий поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора. При решении обратной задачи перемещение запястья руки осуществляется соответствующим перемещению контроллера запястья образом. [084] The wrist controller, like the rest of the controller, can operate both in the phase of transmitting commands from the wrist to the wrist controller and in the phase of transmitting commands from the wrist controller to the wrist (feedback mode). When the wrist controller solves a direct problem, it controls the angle of rotation of the wrist in the frontal plane relative to the anteroposterior axis of the hand (adduction and abduction of the hand, deviation of the operator's hand towards the ulna), as well as control of the rotation of the wrist around a predetermined center, repeating the rotation of the radius together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's arm. When solving the inverse problem, the movement of the wrist is carried out in a manner corresponding to the movement of the wrist controller.
[085] Так, контроллер запястья, в частности, его составляющие элементы, такие как блок механизма поворота и блок подвижной консоли, могут независимо перемещаться согласно заранее составленной управляющей программе. Сигнал с системы числового программного управления (ЧПУ) поступает на цифровой блок управления контроллером, который на основе заданного алгоритма передает управляющие сигналы на 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. [085] Thus, the wrist controller, in particular its constituent elements such as the pivot mechanism unit and the movable arm unit, can independently move according to a predetermined control program. The signal from the numerical control system (CNC) is fed to the digital control unit of the controller, which, based on a predetermined algorithm, transmits control signals to the wrist controller control unit, which in turn controls the operation of the drive element of the handle rotation mechanism unit and / or the movable console unit in order to to rotate the slewing mechanism 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.
[086] 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. [086] The drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit, upon receipt of a control signal, rotate the wrist controller in two degrees of freedom.
[087] При возникновении усилий со стороны оператора контроллер запястья контролирует и оцифровывает отклонение запястья относительно переднезадней оси, находящейся в сагиттальной плоскости (отведение или приведение кисти, которое также иногда называется лучевой девиацией кисти), а также поворот запястья вокруг заранее заданного центра, повторяющий поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора. [087] When a force is generated by the operator, the wrist controller monitors and digitizes the deflection of the wrist relative to the anteroposterior axis located in the sagittal plane (abduction or adduction of the hand, which is also sometimes called the radial deviation of the hand), as well as the rotation of the wrist around a predetermined center, repeating the rotation of the radius with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand.
[088] 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. [088] 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 to the digital a controller control unit, which is configured to transmit the received signals to a computer-based numerical control system (CNC) of the controller.
[089] 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. [089] 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 the unit deflection relative to the longitudinal axis of the operator's hand and transmits this information to 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.
[090] Цифровой блок управления контроллером рассчитывает возможную 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 расчетную позицию. [090] The digital controller control unit calculates the possible trajectory of rotation of the swing mechanism unit and / or the movable console unit and, by sending a control signal to the drive element of the swing mechanism unit and / or the movable console unit, moves the swing mechanism unit and / or the movable console unit and directly the operator's wrist itself to the calculated position.
[091 ] В некоторых вариантах осуществления изобретения при приложении усилия запястьем руки для поворота контроллера запястья в двух ортогональных плоскостях цифровой блок управления контроллером может обеспечивать сопротивление/противодействие или придание ускорения блоку механизма поворота или блоку подвижной консоли, и, соответственно, руке человека с заданными/расчетными усилиями и ускорениями путем подачи управляющих сигналов на приводные элементы соответствующих блоков. Механизм сопротивления/противодействия может быть включен постоянно путем подачи сигнала с системы числового программного управления (ЧПУ) контроллера. Например, «подтормаживание» блоков, совместное или независимое, может осуществляться в случае, если движение ограничено определенным углом поворота от оси. [091] In some embodiments of the invention, when a force is applied by the wrist to rotate the wrist controller in two orthogonal planes, the digital controller control unit of the controller can provide resistance / reaction or acceleration to the rotation mechanism unit or the movable console unit, and, accordingly, the human hand with the given / calculated forces and accelerations by supplying control signals to the drive elements of the corresponding units. The resistance / reaction mechanism can be switched on permanently by sending a signal from the numerical control system (CNC) of the controller. For example, "braking" blocks, joint or independent, can be carried out if the movement is limited to a certain angle of rotation from the axis.
[092] Управляющий сигнал, поступающий на приводные элементы блоков подвижной консоли и/или механизма поворота контроллера запястья может быть сформирован для осуществления «попутного» движения указанных блоков для облегчения перемещения контроллера оператором, уменьшая вес подвижных элементов. [092] The control signal to the drive elements of the movable arm and / or pivot mechanism of the wrist controller may be configured to "ride" the blocks to facilitate movement of the controller by the operator, reducing the weight of the movable elements.
[093] Система числового программного управления (ЧПУ) контроллера обеспечивает преобразование координат блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли в координаты управляемого исполнительного устройства мехатронного комплекса 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 контроллер запястья в составе контроллера. [094] В некоторых вариантах осуществления конструкция контроллера снабжена датчиком присутствия, который выполнен с возможностью определять присутствие людей в помещении, а также их количество, позу и положение их тел, независимо от того двигаются они или нет. В принципе работы датчиков присутствия используются две технологии: ультразвуковая и инфракрасная, для определения присутствия людей в помещении. Датчик присутствия выполнен с возможностью передачи сигнала блокам управления контроллера кисти, контроллера запястья и цифровому блоку управления контроллером. [093] The numerical control system (CNC) of the controller converts the coordinates of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit into coordinates of the controlled actuator of the mechatronic complex and the formation of drive control signals for each degree of mobility of the actuator so that one or another movement of the actuator corresponds to the direction in which the operator acted on the wrist controller as part of the controller. [094] In some embodiments, the controller structure is provided with a presence sensor that is configured to detect the presence of people in the room, as well as their number, posture and position of their bodies, regardless of whether they are moving or not. In principle, presence detectors use two technologies: ultrasonic and infrared, to detect the presence of people in a room. The presence sensor is configured to transmit a signal to the control units of the hand controller, the wrist controller and the digital control unit of the controller.
[095] В некоторых вариантах осуществления изобретения цифровой блок управления контроллером получает сигнал от датчика присутствия и направляет управляющие сигналы на блок приводов контроллера, на блок управления контроллера запястьем, на блок управления кисти, которые в свою очередь управляют работой приводных элементов контроллера запястья и приводных элементов контроллера кисти и оснащены электромагнитными тормозами. Электромагнитные тормоза включаются при получении управляющего сигнала от цифрового блока управления контроллером. При этом контроллер блокируется в том положении, в котором он находился в момент подачи сигнала с датчика присутствия, когда оператор убрал руки с рукоятки контроллера кисти. Электромагнитные тормоза также включаются при случайном отключении электропитания. [095] In some embodiments, the digital controller control unit receives a signal from the presence sensor and sends control signals to the controller drive unit, to the wrist controller control unit, to the hand control unit, which in turn control the operation of the wrist controller actuators and actuators hand controller and equipped with electromagnetic brakes. The electromagnetic brakes are activated when a control signal is received from the digital control unit of the controller. In this case, the controller is locked in the position in which it was at the moment the signal was sent from the presence sensor, when the operator removed his hands from the handle of the hand controller. The electromagnetic brakes are also activated if the power supply is accidentally cut off.
[096] Таким образом, в дальнейшем контроллер в целом не может изменить свое положение и не может передать сигнал об изменении своего положения опосредованно на систему числового программного управления (ЧПУ) контроллера даже под воздействием приложенных на него сил. В некоторых вариантах осуществления при необходимости датчик присутствия может быть отключен. [096] Thus, in the future, the controller as a whole cannot change its position and cannot transmit a signal about changing its position indirectly to the numerical control system (CNC) of the controller even under the influence of forces applied to it. In some embodiments, the presence sensor can be disabled as needed.
[097] 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. [097] 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.
[098] Блок управления контроллера запястья может быть сопряжен с цифровым блоком управления контроллером посредством общей шины передачи данных. Цифровой блок управления контроллером выполнен с возможностью записи данных о получаемых или передаваемых командах. [098] The control unit of the wrist controller may be interfaced with the digital control unit of the controller via a common data bus. The digital control unit of the controller is configured to record data on received or transmitted commands.
[099] 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. [100] 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. [099] 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. [100] Before each use of the controller, it is calibrated for the user. The controller has flexible settings, which allows it to be oriented to different tasks. When using the controller, it can be fully adapted to the operator and his tasks.
Описание конкретного варианта осуществления изобретения Description of a specific embodiment of the invention
[101] Одним из перспективных способов применения описанного выше контроллера является использование таких контроллеров в симуляторах хирурга для изучения в виртуальной среде виртуального пациента. С помощью контроллеров пользователь может в виртуальной среде перемещать предметы, поворачивать, хватать и производить все хирургические манипуляции. [101] One of the promising applications of the controller described above is the use of such controllers in surgeon simulators to study a virtual patient in a virtual environment. With the help of controllers, the user can move objects in a virtual environment, rotate, grab and perform all surgical manipulations.
[102] Также описанный выше контроллер можно использовать в роботохирургическом комплексе при проведении различных хирургических вмешательств, в том числе в урологии, гинекологии, абдоминальной, нейро- и кардиохирургии. Пример роботохирургического комплекса приведен на фиг. 4. [102] Also, the controller described above can be used in a robotic surgical complex for various surgical procedures, including urology, gynecology, abdominal, neuro- and cardiac surgery. An example of a robotic surgical complex is shown in Fig. four.
[103] Роботохирургический комплекс 300 имеет в составе по меньшей мере один манипулятор 310 с прикрепленным к нему хирургическим инструментом 320, блоком управлением 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. [103] The robotic system 300 includes at least one manipulator 310 with a surgical instrument 320 attached to it, a manipulator control unit 330 and an operator interface 340, which receives commands from a surgeon, converts them into the movement of a surgical instrument 320 inside the patient's body during carrying out a surgical operation and / or provides all 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.
[104] Контроллер хирурга преобразует механические движения руки по шести степеням свободы в команды для роботохирургического комплекса 300. Контролер формирует команду на перемещение хирургического инструмента. Дополнительно контроллер выполняет управление поворотами и открытием-закрытием бранша на хирургическом инструменте. [104] The surgeon's controller converts the mechanical movements of the hand in six degrees of freedom into commands for the robotic system 300. The controller generates a command to move the surgical instrument. Additionally, the controller controls the turning and opening-closing of the jaw on the surgical instrument.
[105] 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. [105] Typically, manipulators with a 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.
[106] Каждый манипулятор 310 имеет корпус и узел манипулятора, к которому съемно может быть присоединен хирургический инструмент 320, движение и расположение которого имеет возможность манипулировать хирург с помощью контроллера, который оцифровывает руку хирурга. Контроллер управления разделен на два самостоятельных контроллера - контроллер кисти и контроллер запястья. Такое разделение позволяет разделить вращательные движения руки хирурга с учетом биологических особенностей строения руки. [106] Each manipulator 310 has a manipulator body and assembly to which a surgical instrument 320 can be detachably coupled, the movement and location of which is manipulated by a surgeon using a controller that digitizes the surgeon's hand. The control controller is split into two independent controllers - the brush controller and a wrist controller. This division allows to separate the rotational movements of the surgeon's hand, taking into account the biological features of the structure of the hand.
[107] Настоящее изобретение, раскрытое в данной заявке, по существу представляет собой контроллер запястья, имеющий малые габариты и позволяющий точно определять положение и ориентацию в пространстве запястья хирурга, не создавая при этом лишнюю нагрузку на запястье хирурга. Разработанный контроллер запястья обладает достаточной жесткостью конструкции, причем рабочая область контроллера запястья не ограничивается линейными размерами и механическими особенностями реализации, позволяя работать в полной амплитуде перемещений запястья хирурга. Также контроллер запястья учитывает особенности работы хирурга во время операции, при которых возможно столкновение контроллеров друг с другом при сведении, либо столкновение с коленями хирургам, обеспечивая при этом максимально возможное рабочее пространство, реализуемое в данном диапазоне. Контроллер запястья оснащен системой обратной тактильной связи. [107] The present invention disclosed in this application is essentially a wrist controller that is small in size and allows you to accurately determine the position and orientation in space of the surgeon's wrist without placing unnecessary stress on the surgeon's wrist. The developed wrist controller has sufficient structural rigidity, and the working area of the wrist controller is not limited by the linear dimensions and mechanical implementation features, allowing it to work in the full amplitude of the surgeon's wrist movements. The wrist controller also takes into account the peculiarities of the surgeon's work during the operation, in which it is possible for the controllers to collide with each other during convergence, or collide with the knees of the surgeons, while providing the maximum possible working space within this range. The wrist controller is equipped with a haptic feedback system.
[108] Контроллер запястья используется в составе контроллера роботизированного комплекса как элемента управления для обеспечения функции вращения манипулятора с хирургическим инструментом вокруг одной оси и для обеспечения функции поворота хирургического инструмента вокруг одной оси. Контроллер запястья является механическим устройством, осуществляющим взаимодействие по двум вращательным осям. Контроль действия рук хирурга по третьей вращательной оси обеспечивается контроллером кисти, который в рамках данной патентной заявки не рассматривается, но проведение полноценной хирургической операции является возможным лишь при реализации всего контроллера управления роботизированным комплексом, который позволяет задавать три вращательные оси. [108] The wrist controller is used as part of the robotic system controller as a control element to provide the function of rotating the manipulator with the surgical instrument around one axis and to provide the function of rotating the surgical instrument around one axis. The wrist controller is a mechanical device that interacts along two rotational axes. The control of the action of the surgeon's hands along the third rotational axis is provided by a hand controller, which is not considered within the framework of this patent application, but a full-fledged surgical operation is possible only if the entire controller for controlling the robotic complex is implemented, which allows setting three rotational axes.
[109] В некоторых вариантах осуществления изобретения для контакта руки хирурга с контроллером запястья используется устройство активного захвата, которое может использоваться как контроллер кисти в случае его модификации с учетом требований, предъявляемых к контроллеру кисти. Стоит отметить, что в качестве активного устройства захвата могут выступать любые конструкции с различными геометрическими и эргономичными характеристиками в зависимости от вида решаемой задачи. [109] In some embodiments, an active grip device is used to contact the surgeon's hand with the wrist controller, which can be used as a hand controller if modified to meet the requirements of the hand controller. It should be noted that any designs with different geometric and ergonomic characteristics, depending on the type of the problem being solved, can act as an active gripping device.
[110] Устройство активного захвата и контроллер запястья должен учитывать все линейные размеры расстояний между центрами суставов руки, ее кисти и запястья. Для описания конфигурационных параметров запястья используются параметры геометрии позиций и направлений. Описание направлений будет возможно лишь при связывании систем координат с запястьем, в этом случае базовая система координат будет связана непосредственно с контроллером запястья, и начальной точкой системы координат будет являться точка, в которой сходятся все вращательные оси. [110] The active grip device and wrist controller should take into account all linear dimensions of the distances between the centers of the joints of the hand, hand and wrist. Geometry parameters of positions and directions are used to describe the configuration parameters of the wrist. Directions can only be defined when linking coordinate systems to the wrist, in which case the base coordinate system will be linked directly to the wrist controller, and the origin of the coordinate system will be the point at which all rotational axes converge.
[111] В базовой системе координат вектор начала системы координат запястья будет совпадать с последовательностью поворотов относительно осей вращения на углы Эйлера. Углы Эйлера определяют три поворота системы, которые позволяют привести любое положение системы к текущему. Повороты системы на эти углы называются прецессия, нутация и поворот на собственный угол (вращение). При этом нутационный процесс контроллера запястья аналогичен повороту кисти относительно переднезадней оси, которая лежит в сагиттальной плоскости и контролирует движения приведения и отведения, происходящие во фронтальной плоскости. Процесс вращения контроллера запястья аналогичен повороту лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости. [111] In the basic coordinate system, the vector of the origin of the coordinate system of the wrist will coincide with the sequence of rotations about the axes of rotation by the Euler angles. Euler angles define three rotations of the system, which allow to bring any position of the system to the current one. Rotations of the system through these angles are called precession, nutation, and rotation through its own angle (rotation). In this case, the nutation process of the wrist controller is similar to the rotation of the hand relative to the anteroposterior axis, which lies in the sagittal plane and controls the adduction and abduction movements occurring in the frontal plane. The process of rotating the wrist controller is similar to rotating the radius with the hand around the ulna.
[112] На этом утверждении можно на содержательном уровне сформулировать задачи, которые также должен решать контроллер запястья, которые также можно назвать как решение прямой и обратной кинематической задачи преобразования: [112] On this statement, it is possible to formulate on a meaningful level the tasks that the wrist controller must also solve, which can also be called the solution of the forward and inverse kinematic transformation problem:
[113] Прямая задача - задача определения координатного описания параметров пространственного положения и ориентации хирургического инструмента по заданной совокупности значений углов поворота относительно осей вращения, полученных при помощи контроллера запястья. [113] Direct task - the task of determining the coordinate description of the parameters of the spatial position and orientation of the surgical instrument for a given set of values of the angles of rotation relative to the axes of rotation obtained using the wrist controller.
[114] Обратная задача - задача построения заданной позиции ориентации запястья при помощи контроллера запястья и связанная с этим задача определения всех требуемых углов вращения. [114] The inverse task is the task of constructing a given position of the orientation of the wrist using the wrist controller and the related task of determining all the required angles of rotation.
[115] При этом должен учитываться главный принцип однозначности, что будет гарантировать однозначное положение и ориентацию хирургического инструмента при заданных направляющих командах. Конструкция контроллера запястья позволяет отслеживать положение запястья хирурга, передавать изменение ориентации в виде цифрового сигнала, отображающего изменения угла отклонения относительно осей вращения и нутации. Эти величины используются как входные данные в кинематических расчетах предполагаемого положения конца хирургического инструмента и позволяют интерпретировать данные сигналы как управляющие команды. Сама кинематика преобразования задающих углов в управляющие команды в рамках рассматриваемой заявки не рассматривается, но само понимание того, в какой форме представлять измеряемые данные, является важной деталью в контексте решаемой задачи. [115] In this case, the main principle of unambiguity must be taken into account, which will ensure the unambiguous position and orientation of the surgical instrument for given guidance commands. The design of the wrist controller makes it possible to track the position of the surgeon's wrist, to transmit the change in orientation in the form of a digital signal displaying changes in the angle of deflection relative to the axes of rotation and nutation. These values are used as input data in kinematic calculations of the estimated position of the end of the surgical instrument and allow these signals to be interpreted as control commands. The very kinematics of transforming the setting angles into control commands is not considered within the framework of the application under consideration, but the very understanding of how to present the measured data is an important detail in the context of the problem being solved.
[116] Контроллер запястья хирурга состоит из блока подвижной консоли и блока механизма поворота, описанных выше. На фиг. 5 представлен предпочтительный вариант реализации конструкции контроллера запястья. В частности, на фиг.5 изображено крепление консолей к приводному элементу, реализующего нутационное движение контроллера запястья. В верхней части площадки 221 перпендикулярно к ней параллельно расположены две плоские пластины 227, механически соединенные с площадкой 221. К отверстиям 228 указанных пластин подсоединяется консоль. [116] The surgeon's wrist controller consists of the movable arm assembly and the pivot assembly described above. FIG. 5 illustrates a preferred embodiment of a wrist controller. In particular, FIG. 5 illustrates the attachment of the consoles to the actuator that implements the nutation motion of the wrist controller. In the upper part of the platform 221, two flat plates 227, mechanically connected to the platform 221, are arranged perpendicularly to it in parallel. A console is connected to the holes 228 of these plates.
[117] Добавление гибкой передачи 229, либо иного другого известного способа передачи, позволяет физически вынести приводной механизм 223 и измерительное средство угла поворота и механически соединить с шарнирным соединением, реализующим поворот. Такое конструкционное решение является эффективным, так как это позволяет развесить конструкцию без добавления дополнительных элементов и без кардинальных изменений механических особенностей. [117] The addition of flex gear 229, or other known transmission method, allows the actuator 223 and the pivot measuring means to physically expose and mechanically couple to the pivot joint. Such a structural the solution is effective, since it allows you to hang the structure without adding additional elements and without cardinal changes in mechanical features.
[118] С противоположной стороны площадки 221 на уровне оси, проходящей через центр реализовано устройство измерения поворота и приводной элемент 224 для оси вращения. Изменение угла нутации меняет всю ориентацию конструкции контроллера запястья и активного устройства захвата относительно данной оси. Данный факт учитывается на этапе математических преобразований полученных углов, но это подтверждается и биологических строением руки человека. Так, поворот предплечья вокруг локтевого соединения поворачивает кисть, запястье и ладонь. Такой подход к полному воспроизведению и фиксации поворотов руки хирурга при проведении роботохирургической операции позволяет добиться интуитивно понятного взаимодействия с системой, что упрощает проведение хирургической операции, а также снижает порог вхождения при освоении комплекса, так как нет необходимости дополнительно обучаться управлению системой. [118] On the opposite side of the platform 221 at the level of an axis passing through the center, a rotation measuring device and a drive element 224 for the rotation axis are implemented. Changing the nutation angle changes the entire orientation of the design of the wrist controller and active gripper relative to that axis. This fact is taken into account at the stage of mathematical transformations of the obtained angles, but this is also confirmed by the biological structure of the human hand. Thus, turning the forearm around the elbow joint turns the hand, wrist, and palm. Such an approach to complete reproduction and fixation of the surgeon's hand rotations during robotic surgery allows for an intuitive interaction with the system, which simplifies the surgical operation, and also reduces the entry threshold when mastering the complex, since there is no need to additionally learn how to control the system.
[119] Контроллер запястья крепится к механизму с параллельной кинематической структурой типа дельта-робот, задачей которого будет являться обеспечение по меньшей мере трех поступательных степеней свободы. Данное крепление может быть осуществлено любым известным способом крепления. [119] The wrist controller is attached to a parallel kinematic mechanism such as a delta robot, the task of which will be to provide at least three translational degrees of freedom. This attachment can be carried out by any known attachment method.
[1] В качестве приводных элементов, используемых в контроллере запястья, могут быть применены бесколлекторные моторы постоянного тока. Выбор моторов обусловлен требованиями к системе: сравнительно низкая частота вращения, большой вращающий момент, малая масса и габаритные размеры. Недостатком таких моторов является необходимость в наличии системы автоматического управления для регулирования оборотом и вращающего момента, что не является существенной сложностью в рамках описываемого решения. Преимуществами использования бесколлекторных моторов является высокая надежность и долговечность за счет отсутствия коллекторного узла, подверженного износу. [1] Brushless DC motors can be used as the drive elements used in the wrist controller. The choice of motors is dictated by the requirements for the system: relatively low speed, high torque, low weight and overall dimensions. The disadvantage of such motors is the need for an automatic control system to regulate the turnover and torque, which is not a significant difficulty within the framework of the described solution. The advantages of using brushless motors are high reliability and durability due to the absence of a commutator assembly subject to wear.
[120] Для точного определения углов поворота степеней свободы в контроллере запястья в качестве датчиков поворота были применены энкодеры, выбранные из энкодеров оптического, магнитного или иного принципа действия или в виде резистивного элемента. В предпочтительном варианте изобретения в качестве датчиков поворота используеют высокоточные бесконтактные энкодеры на основе массивов датчиков Холла. На осях вращения каждой степени свободы находятся неодимовые магниты диаметральной намагниченности, вблизи которых расположены корпуса микросхем. [120] To accurately determine the angles of rotation of the degrees of freedom in the wrist controller, encoders selected from optical, magnetic or other encoders, or in the form of a resistive element were used as rotation sensors. In a preferred embodiment of the invention, high-precision non-contact encoders based on Hall sensor arrays are used as rotation sensors. On the axes of rotation of each degree of freedom, there are neodymium magnets of diametrical magnetization, near which the cases of microcircuits are located.
[121] Энкодеры данного типа обладают такими преимуществами как высокая разрешающая способность (14 бит, 0.0219 градуса), возможность цифровой установки нулевого положения, высокое быстродействие, цифровой контур статуса и диагностики. [121] This type of encoder offers advantages such as high resolution (14 bits, 0.0219 degrees), digital zero setting, high speed, digital status and diagnostics loop.
[122] Энкодеры на основе магнитного эффекта обладают рядом особенностей эксплуатации, которые влияют на точность измерения: - Чувствительность к шумам источника питания; [122] Magnetic encoders have a number of operational features that affect measurement accuracy: - Sensitivity to power supply noise;
- Наличие оптимального расстояния от корпуса микросхемы до вращающегося магнита - The presence of the optimal distance from the microcircuit case to the rotating magnet
- Чувствительность к линейному смещению оси вращения магнита. - Sensitivity to linear displacement of the axis of rotation of the magnet.
[123] Для достижения максимальной точности и чувствительности была разработана и применена печатная плата для установки микросхемы энкодера с учетом перечисленных особенностей (фиг. 6). [123] To achieve maximum accuracy and sensitivity, a printed circuit board was developed and applied to install the encoder microcircuit, taking into account the listed features (Fig. 6).
[124] Точное пространственное позиционирование корпуса микросхемы относительно вращающегося магнита обеспечивается за счет крепежных отверстий 410 в печатной плате 300. Прижим печатной платы 400 к прилегающей поверхности реализуется за счет отсутствия по контуру платы 400 объемных элементов. Контактные площадки питания и данных предназначены для пайки проводов в обратную сторону от микросхемы энкодера. Стабильное напряжение питания и защита от импульсных помех обеспечивается применением двух конденсаторов в линии питания. [124] Precise spatial positioning of the microcircuit case relative to the rotating magnet is ensured by the fixing holes 410 in the printed circuit board 300. The pressing of the printed circuit board 400 to the adjacent surface is realized due to the absence of bulk elements along the circuit board 400 contour. The power and data pads are designed for soldering wires in the opposite direction from the encoder chip. Stable supply voltage and protection against impulse noise is ensured by using two capacitors in the supply line.
[125] На фиг. 6 приведен сборочный чертеж печатной платы 400 для установки цифрового магнитного энкодера. На фиг. 6 обозначено: 420 - посадочное место микросхемы энкодера, 410 - Крепежные отверстия печатной платы, 430 - контактные площадки питания и данных. [125] FIG. 6 shows an assembly drawing of a printed circuit board 400 for installing a digital magnetic encoder. FIG. 6 denoted: 420 - encoder microcircuit seat, 410 - PCB mounting holes, 430 - power and data pads.
[126] В предпочтительном варианте изобретения блок управления контроллером запястья реализован на основе двух печатных плат: одна отвечает за силовую развязку и преобразование напряжения, к ней дополнительно соединены драйверы управления приводными элементами, а вторая отвечает за прием и обработку данных, полученных с измерительных устройств и взаимодействие с драйверами управления приводных элементов по заданным алгоритмам. На фиг.7 и фиг.8 изображены трехмерные модели силовой платы 500 и платы управления 600 соответственно. Конструкция печатной платы управления 600 предусматривает установку энкодера 610 на одну из ее сторон, что устраняет необходимость в использовании отдельной печатной платы энкодера для измерения угла наклона блока механизма поворота. Общий вид устройства с закрепленными платами 500, 600 на механическую плоскую площадку 221, являющейся частью контроллера запястья, представлен на фиг. 9. [126] In a preferred embodiment of the invention, the wrist controller control unit is implemented on the basis of two printed circuit boards: one is responsible for the power isolation and voltage conversion, the drivers for controlling the drive elements are additionally connected to it, and the second is responsible for receiving and processing data received from the measuring devices and interaction with control drivers of drive elements according to specified algorithms. FIGS. 7 and 8 show 3D models of the power board 500 and control board 600, respectively. Control PCB 600 is designed to mount an encoder 610 on one side, eliminating the need for a separate encoder PCB to measure the tilt of the slew unit. A general view of the device with the boards 500, 600 attached to the mechanical flat pad 221, which is part of the wrist controller, is shown in FIG. nine.
[127] Контроллер запястья хирурга работает следующим образом. Хирург располагает кисть руки на корпусе устройства захвата таким образом, корпус рукоятки зажат между ладонью и пальцами. При этом возникновение усилий со стороны хирурга для возникновения нутационных движений устройства захвата (контроллера кисти), которые соответствуют повороту кисти хирурга во фронтальной плоскости вокруг одной оси, лежащей в сагиттальной плоскости, вызывает поворот вызывает поворот хирургического инструмента одной оси. А возникновение усилий со стороны хирурга для вращения устройства захвата (контроллера кисти), которое соответствует повороту лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора, вызывает вращение манипулятора с хирургическим инструментом вокруг одной оси. Указанные выше действия позволяет реализовать конструкция контроллера запястья, которая позволяет выполнять одновременно несколько действий. [128] Также контроллер запястья используется для ведения или передачи усилий на запястье руки хирурга. Более подробно процессы, описывающие передачу управляющих команд для работы контроллера запястья как в режиме управления манипулятора с хирургическим инструментом, так и в режиме передачи усилий на запястье хирурга, описаны выше. [127] The surgeon's wrist controller operates as follows. The surgeon positions the hand on the gripper body so that the grip body is sandwiched between the palm and fingers. In this case, the emergence of efforts on the part of the surgeon for the emergence of nutation movements of the gripper device (hand controller), which correspond to the rotation of the surgeon's hand in the frontal plane around one axis lying in the sagittal plane, causes the rotation to cause the rotation of the surgical instrument of one axis. And the emergence of efforts on the part of the surgeon to rotate the gripper device (hand controller), which corresponds to the rotation of the radius together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand, causes the manipulator with the surgical instrument to rotate around one axis. The above actions allow you to implement a wrist controller design that allows you to perform multiple actions at the same time. [128] A wrist controller is also used to guide or transmit forces to the surgeon's wrist. In more detail, the processes describing the transmission of control commands for the operation of the wrist controller both in the control mode of the manipulator with a surgical instrument and in the transmission of forces to the surgeon's wrist are described above.
[129] Использование заявленной конструкции контроллера запястья позволяет увеличивать эффективность проводимых хирургических операций и обеспечивать поддержку хирургу с целью уменьшения усталости и утомляемости при проведении длительных операционных процедур. [129] The use of the claimed wrist controller design increases the efficiency of surgical procedures and provides support to the surgeon in order to reduce fatigue and fatigue during lengthy surgical procedures.
[130] 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. [130] 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 запястья для контроллера оператора для управления роботохирургическим комплексом, включающий: блок механизма поворота, который имеет верхнюю часть и нижнюю часть, корпус эргономичной формы, блок механизма поворота функционально сконфигурирован для: соединения с элементом, входящим в состав контроллера оператора, который предназначен для обеспечения функции управления перемещением манипулятора с хирургическим инструментом по трем взаимно ортогональным осям, и независимого поворота вокруг заранее заданного центра, повторяющего поворот лучевой кости вместе с кистью вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора, для обеспечения функции вращения манипулятора с хирургическим инструментом вокруг одной оси; по меньшей мере один блок подвижной консоли, который представляет собой плоский незамкнутый механизм параллельной жесткой структуры, состоящий из трех звеньев и трех кинематических пар, блок подвижной консоли функционально сконфигурирован для: крепления с одной стороны к верхней части блока механизма поворота, а с другой - к верхней части рукоятки, охватываемой и удерживаемой всей поверхностью кисти оператора во время работы, которая также входит в состав контроллера оператора, и поворота, повторяющего поворот кисти оператора во фронтальной плоскости вокруг переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости, для обеспечения функции поворота хирургического инструмента вокруг одной оси; при этом внутри корпуса блока механизма поворота расположены: блок управления контроллера запястья, по меньшей мере один датчик поворота блока подвижной консоли, обеспечивающий электрические сигналы, соответствующие изменению положения блока подвижной консоли относительно блока механизма поворота при повороте кисти оператора, охватывающей рукоятку, во фронтальной плоскости вокруг переднезадней оси, лежащей в сагиттальной плоскости и передающий их на блок управления контроллера запястья, приводной элемент блока подвижной консоли; при этом на внешней стороне корпуса блока механизма поворота расположены: датчик поворота блока механизма поворота, обеспечивающий электрические сигналы, соответствующие изменению положения блока механизма поворота относительно заранее заданного центра при повороте лучевой кости вместе с кистью оператора вокруг локтевой кости относительно продольной оси руки оператора и передающий их на блок управления контроллера запястья, приводной элемент блока механизма поворота, причем датчик поворота блока механизма поворота расположен на оси вращения приводного элемента блока механизма поворота; причем блок управления контроллера запястья функционально сконфигурирован для: передачи полученных сигналов на цифровой блок контроллера оператора и на внешнюю систему управления роботохирургическим комплексом для передачи движения блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли в соответствующее независимое движение манипулятора с хирургическим инструментом и/или хирургического инструмента, 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 для передачи движения манипулятора с хирургическим инструментом и/или хирургического инструмента в соответствующее независимое движение указанных блоков. 1. A wrist controller for an operator controller for controlling a robotic surgical complex, including: a rotation mechanism unit, which has an upper part and a lower part, an ergonomically shaped body, a rotation mechanism unit is functionally configured for: connection with an element that is part of the operator controller, which is intended for providing the function of controlling the movement of the manipulator with the surgical instrument along three mutually orthogonal axes, and independent rotation around a predetermined center, repeating the rotation of the radius together with the hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand, to provide the function of rotating the manipulator with the surgical instrument around one axis; at least one block of the movable console, which is a flat open mechanism of a parallel rigid structure, consisting of three links and three kinematic pairs, the block of the movable console is functionally configured for: attachment on one side to the upper part of the swing mechanism block, and on the other - to the upper part of the handle, covered and held by the entire surface of the operator's hand during operation, which is also part of the operator's controller, and rotation that repeats the rotation of the operator's hand in the frontal plane around the anteroposterior axis lying in the sagittal plane to provide the function of rotating the surgical instrument around one axles; while inside the body of the turning mechanism unit there are located: a wrist controller control unit, at least one rotation sensor of the movable console unit, which provides electrical signals corresponding to a change in the position of the movable console unit relative to the rotation mechanism unit when the operator's hand is turned around the handle in the frontal plane around the anteroposterior axis lying in the sagittal plane and transmitting them to the control unit of the wrist controller, the drive element of the movable console unit; at the same time, on the outer side of the body of the rotation mechanism unit, there are: a rotation sensor of the rotation mechanism unit, providing electrical signals corresponding to a change in the position of the rotation mechanism unit relative to a predetermined center when the radius is rotated together with the operator's hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand and transmitting them on the wrist controller control unit, a drive element of the rotation mechanism unit, and the rotation sensor of the rotation mechanism unit is located on the axis of rotation of the drive element of the rotation mechanism unit; moreover, the control unit of the wrist controller is functionally configured for: transmitting the received signals to the digital unit of the operator's controller and to the external control system of the robotic surgical complex to transfer the movement of the rotation mechanism unit and / or the movable console unit to the corresponding independent movement of the manipulator with the surgical instrument and / or surgical instrument, receiving control signals from the external control system of the robotic surgical complex and transferring them to the drive element of the rotation mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit for transferring the movement of the manipulator with the surgical instrument and / or the surgical instrument into the corresponding independent movement of the said blocks.
2. Контроллер запястья по п. 1, в котором корпус блока механизма поворота имеет эргономичную форму и выполнен с углублением таким образом, чтобы иметь возможность максимально приблизить корпус рукоятки, полностью охватываемой кистью оператора, и обеспечить при этом полную траекторию перемещения указанной рукоятки. 2. The wrist controller of claim 1, wherein the body of the pivot mechanism unit is ergonomically shaped and recessed so as to be as close as possible to the handle body fully covered by the operator's hand, while providing a full trajectory of said handle movement.
3. Контроллер запястья по п.1, в котором цифровой блок управления контроллером оператора формирует управляющие сигналы через блок управления запястья на приводной элемент блока механизма поворота и/или приводной элемент блока подвижной консоли для обеспечения поворота указанных блоков в сторону, совпадающую с поворотом кисти оператора вместе с лучевой костью вокруг локтевой кости и/или при отклонении кисти оператора в сторону локтевой кости или в сторону, противоположную повороту кисти и/или отведению кисти соответственно. 3. The wrist controller according to claim 1, wherein the digital control unit of the operator controller generates control signals through the wrist control unit to the drive element of the pivot mechanism unit and / or the drive element of the movable console unit to ensure the rotation of said blocks in the direction coinciding with the rotation of the operator's hand together with the radius around the ulna and / or when the operator's hand is deflected towards the ulna or to the side opposite to the rotation of the hand and / or abduction of the hand, respectively.
4. Контроллер запястья по п. 1, в котором в нижней части корпуса блока механизма поворота смонтирована система грузов обеспечения равновесия в статическом положении и нахождения в вертикальном положении. 4. A wrist controller according to claim 1, wherein a system of weights to ensure balance in a static position and in an upright position is mounted in the lower part of the body of the pivot mechanism unit.
5. Контроллер запястья по п.1, в котором приводной элемент блока подвижной консоли механически связан с блоком подвижной консоли при помощи гибкой передачи. 5. The wrist controller of claim 1, wherein the moveable arm assembly is mechanically coupled to the moveable arm assembly using a flexible transmission.
PCT/RU2020/050343 2019-11-25 2020-11-23 Wrist controller for robotic surgical complex WO2021107820A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138039 2019-11-25
RU2019138039A RU2718568C1 (en) 2019-11-25 2019-11-25 Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021107820A1 true WO2021107820A1 (en) 2021-06-03

Family

ID=70156413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2020/050343 WO2021107820A1 (en) 2019-11-25 2020-11-23 Wrist controller for robotic surgical complex

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2718568C1 (en)
WO (1) WO2021107820A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114569251A (en) * 2022-03-02 2022-06-03 中南大学 Double-arm manipulator system

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU203739U1 (en) * 2020-10-16 2021-04-19 Общество с ограниченной ответственностью "ПРОМОБОТ" Servo control board

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6000387B2 (en) * 2009-11-13 2016-09-28 インテュイティブ サージカル オペレーションズ, インコーポレイテッド Master finger tracking system for use in minimally invasive surgical systems
KR101789064B1 (en) * 2009-11-13 2017-10-23 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 Method and system for hand control of a teleoperated minimally invasive slave surgical instrument
US20180168758A1 (en) * 2015-06-16 2018-06-21 Titan Medical Inc. Hand grip apparatus for receiving operator input in a robotic surgery system
WO2018112227A2 (en) * 2016-12-15 2018-06-21 Intuitive Surgical Operations, Inc. Actuated grips for controller

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9408606B2 (en) * 2012-06-28 2016-08-09 Ethicon Endo-Surgery, Llc Robotically powered surgical device with manually-actuatable reversing system
EP3753518A1 (en) * 2014-09-04 2020-12-23 Memic Innovative Surgery Ltd. Control of device including mechanical arms

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6000387B2 (en) * 2009-11-13 2016-09-28 インテュイティブ サージカル オペレーションズ, インコーポレイテッド Master finger tracking system for use in minimally invasive surgical systems
KR101789064B1 (en) * 2009-11-13 2017-10-23 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 Method and system for hand control of a teleoperated minimally invasive slave surgical instrument
US20180168758A1 (en) * 2015-06-16 2018-06-21 Titan Medical Inc. Hand grip apparatus for receiving operator input in a robotic surgery system
WO2018112227A2 (en) * 2016-12-15 2018-06-21 Intuitive Surgical Operations, Inc. Actuated grips for controller

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114569251A (en) * 2022-03-02 2022-06-03 中南大学 Double-arm manipulator system
CN114569251B (en) * 2022-03-02 2023-12-05 中南大学 Double arm manipulator system

Also Published As

Publication number Publication date
RU2718568C1 (en) 2020-04-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6233504B1 (en) Tool actuation and force feedback on robot-assisted microsurgery system
Ben-Tzvi et al. Sensing and force-feedback exoskeleton (SAFE) robotic glove
JP3932449B2 (en) Robot and robot operation system
US9052710B1 (en) Manipulation control based upon mimic of human gestures
Gupta et al. Master–slave control of a teleoperated anthropomorphic robotic arm with gripping force sensing
Hagn et al. Telemanipulator for remote minimally invasive surgery
CN109316239B (en) Minimally invasive surgery robot main manipulator and system based on magnetic navigation sensing
WO2021107819A1 (en) Operator controller for controlling a robotic surgical complex
US20200206961A1 (en) Backdrivable and haptic feedback capable robotic forceps, control system and method
RU2720830C1 (en) Assisting surgical complex
WO2021107820A1 (en) Wrist controller for robotic surgical complex
WO2012127404A2 (en) Ergonomic handle for haptic devices
EP3959044A1 (en) Spherical mechanism constructed with scissors linkages with control means
WO2020154012A1 (en) Wearable user interface device
JP5974666B2 (en) Manipulation system
CN113194870B (en) User interface device, main control console of surgical robot device, and operation method thereof
Falck et al. DE VITO: A dual-arm, high degree-of-freedom, lightweight, inexpensive, passive upper-limb exoskeleton for robot teleoperation
RU2716353C1 (en) Hand controller for use in robot surgery system operator's controller
Lis et al. RobinHand Haptic Device
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
Mucha et al. The Design of a Functional STIFF-FLOP Robot Operator's Console
KR102116119B1 (en) Master robot and control method thereof
JP2552977B2 (en) Force feedback type multi-axis operating device
Erol Barkana et al. A robot‐assisted rehabilitation system–RehabRoby

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: 20892044

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: 20892044

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1