WO2021188017A1 - Assistive surgical complex - Google Patents

Assistive surgical complex Download PDF

Info

Publication number
WO2021188017A1
WO2021188017A1 PCT/RU2021/050048 RU2021050048W WO2021188017A1 WO 2021188017 A1 WO2021188017 A1 WO 2021188017A1 RU 2021050048 W RU2021050048 W RU 2021050048W WO 2021188017 A1 WO2021188017 A1 WO 2021188017A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
controller
surgical
operator
manipulator
complex
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050048
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Юрьевич ПУШКАРЬ
Рахим Суфьянович НАХУШЕВ
Original Assignee
Ассистирующие Хирургические Технологии (Act), Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ассистирующие Хирургические Технологии (Act), Лтд filed Critical Ассистирующие Хирургические Технологии (Act), Лтд
Publication of WO2021188017A1 publication Critical patent/WO2021188017A1/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
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/77Manipulators with motion or force scaling
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/06Control stands, e.g. consoles, switchboards
    • 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
    • B25J13/085Force or torque sensors
    • 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
    • B25J13/088Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices with position, velocity or acceleration sensors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/02Gripping heads and other end effectors servo-actuated
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1602Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1612Programme controls characterised by the hand, wrist, grip control
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1694Programme controls characterised by use of sensors other than normal servo-feedback from position, speed or acceleration sensors, perception control, multi-sensor controlled systems, sensor fusion
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/402Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for positioning, e.g. centring a tool relative to a hole in the workpiece, additional detection means to correct position
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/414Structure of the control system, e.g. common controller or multiprocessor systems, interface to servo, programmable interface controller
    • G05B19/4147Structure of the control system, e.g. common controller or multiprocessor systems, interface to servo, programmable interface controller characterised by using a programmable interface controller [PIC]

Definitions

  • the invention relates to the field of mechanical engineering, namely to mechanisms - mechatronic complexes designed to solve technological problems using tools fixed in manipulators, which are controlled in manual mode using a digital operator controller and / or in automatic mode, when control commands are set by the system numerical control (CNC).
  • the mechatronic complex can be used in the following areas: robotization, teleoperation, minimal invasive surgery, simulators and others. More specifically, the invention may relate to the field of assisted robotic surgical systems for performing minimally invasive surgical procedures and for simulating such surgical procedures in a virtual environment.
  • the limit / milestone of the development of surgery for this parameter is in the range of 0.01 mm, which corresponds to the size of a large cell.
  • Robot-assisted surgeries have many advantages over traditional surgeries: for example, they can significantly reduce the volume of intraoperative blood loss and reduce the frequency of blood transfusions. Procedures of this kind are less traumatic, and therefore, in the rehabilitation period, the pain syndrome in patients is not as pronounced as with the traditional approach.
  • a traditional robotic surgical complex implements a surgical technology in which a mini-instrument controlled by a manipulator acts on the operating field, being delivered to it through small punctures in the patient's body.
  • the ability to see the operating field is provided by a camera that transmits the signal to a 3D monitor.
  • the camera like the instrument, is inserted through the puncture and controlled by a separate manipulator.
  • Actions / commands to the instruments and the camera through the manipulators are set by the operator's controller, controlled by the surgeon's hands.
  • the surgeon's workplace consisting of two controllers and a 3D monitor, is located at a considerable distance from the surgical table. This creates a difference and significant advantages over traditional laparoscopic surgery.
  • surgeon operates in a sitting position, in a comfortable posture, he is less tired and does not lose concentration. Also, in contrast to laparoscopy, the movement of the surgeon's control movements can be multiplied when transmitted to the manipulator and the instrument with a coefficient greater and less than 1.
  • Robotic surgery is being actively implemented in clinics around the world, primarily thanks to the DA VINCI robot from Intuitive Surgical Inc. Many companies are trying to compete with him and also enter the market.
  • a surgical robot developed by the Spanish company Tecnalia and the University of Malaga is disclosed in WO2017220822 A1.
  • the goal of the project is to provide hospitals with affordable robotic surgery that offers high precision in the performance of operations within the range of laparoscopy requirements.
  • the robot consists of three six-axis (six-degree) manipulator arms that can function together or separately, according to the requirements of the operation.
  • Robotic arms were chosen for this project because of their simple programming system that allows engineers to tailor their software to the specific needs of surgical procedures. Each arm weighs no more than 18 kilograms, which makes it easy to mount them on a vertical support that has been adapted to avoid the need for long cables and thus allow free and unimpeded movement of healthcare workers throughout the operating room.
  • the robot also includes a 3D Vision screen, which allows the surgeon to expand his field of view for better control of a pair of joysticks that mimic laparoscopic instruments.
  • robotic surgical technologies have their own basic, their forming features and predominant parameters / signs. These are: tremor relief, instrument movement accuracy, which is superior to traditional laparoscopy, and functionality / features. It is from the standpoint of comparing these parameters that it is advisable to analyze patents of robotic surgical systems.
  • the module platform consists of an open surgeon's console, an imaging system, and robotic manipulators with surgical instruments.
  • the imaging system and many instruments, such as surgical staplers can be used in both robotic and laparoscopic procedures, and various components can be updated according to the financial capabilities of the hospital.
  • the technical problem and the achieved technical result of the present invention are to create an assisting surgical complex that surpasses prototypes and analogues in terms of key requirements of robotic surgery based on a new architecture, made possible by new properties of key blocks and a new structure of their interaction, which provides:
  • CNC numerical control system
  • the developed assisting surgical complex should also be universal and adapt / localize to various types of surgical intervention.
  • an assisting surgical complex was developed, which is described in detail below.
  • An assisting surgical complex for performing high-precision minimally invasive surgical operations contains an executive console for a patient, which includes at least one combined manipulator with a surgical instrument installed on it for performing a surgical operation, at least one manipulator of a camera with a camera attached to it for viewing the operating field, providing its movement along three translational degrees of freedom; a positioning system for at least one manipulator, fixed on at least one longitudinal side of the surgical table and configured to store at least one manipulator under the surgical table in a non-working position and automatically independently extend and move each of the manipulators in a predetermined area of the operating area in a working position , means for calculating and evaluating the forces acting on the distal end of the surgical instrument and the forces acting on other working parts of the surgical instrument, an operator input console, which includes: at least one operator controller for controlling the movement of the surgical instrument mounted on the specified combined manipulator configured to provide independent seven degrees of freedom when appropriate control forces and / or movements from the operator's hand occur to rotate and / or move the controller by the operator's hand, while counter
  • the operator controller control handle includes a wrist controller providing two rotational degrees of freedom in orthogonal planes and a hand controller providing two other rotational degrees of freedom.
  • the hand controller is equipped with a grip and finger grips.
  • At least one actuator and a rotation sensor are mounted within the handle of the hand controller.
  • the wrist controller is equipped with at least one actuator and a rotation sensor.
  • At least one manipulator in an inoperative position is located under the surgical table in the leg position.
  • One of the main and undoubtedly demanded advantages of robotic surgery is the significant, inaccessible with the previous techniques of performing operations (open or laparoscopic), technological capabilities of the instrument for performing the operation.
  • the most significant technological capabilities essential for robotic surgery are: movements along seven (three rotations, three linear movements and one opening of the branches) and more axes of the executive surfaces of the surgical instrument during the operation; moving the surgical instrument, if necessary, during the operation with an accuracy exceeding the maximum permissible accuracy of the surgeon's hand.
  • the last indicator includes both the accuracy of the movement of the surgeon's hand holding the instrument and the indirect effect on this indicator due to the presence of hand tremor.
  • This application aims to propose a new architecture of the assisting complex, potentially capable, if necessary by the surgeon, to overcome the accuracy barrier and remove the limitations of the development of robotic surgery.
  • the task and the technical result are achieved due to the fact that the complex uses as modular elements new, developed for the tasks of robotic surgery, blocks that make up the assisting surgical complex, as well as more advanced architectures of their mechanical and information connections, while the information interaction of all elements of the complex is completely digital, in a single digital environment.
  • Such a kinematic scheme allows to ensure sufficient mobility of the surgical instrument and the angle of rotation of the surgical instrument.
  • Controller of the operator of the assisting surgical complex influencing the achievement of the task and the set technical result with an increased accuracy of determining the position of the operator's / surgeon's hands in the entire possible range of their movement due to the use of a delta-robot mechanism in the operator's controller design, a strain-gauge platform located between a movable and a stationary platforms of the delta-robot mechanism and the digital control unit of the controller.
  • the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex influencing the achievement of the set task and the set technical result due to the control, correction and compensation of the position of the instrument during its movement and deviation from the desired position set by the surgeon.
  • the CNC system provides the transformation of the coordinates of each element of the operator's controller when it is controlled by the surgeon into the coordinates of the executive device, which is a manipulator with a surgical instrument attached to it and / or the surgical instrument itself. Also, the CNC system generates drive control signals for each degree of mobility of the actuator in such a way that its movement corresponds to the direction in which the operator-surgeon acted on the mechanism of the control controller, and it was intuitive for him.
  • the system for assessing the efforts on the robotic surgical instrument of the assisting surgical complex which affects the achievement of the set task and the set technical result due to the identification of the nature, direction and magnitude of the forces acting on the surgical instrument during operation (during the surgical operation) based on the measurement of the amount of movement of the instrument in the area of the used multi-axis strain gauge sensors, one of which is located on the manipulator support under the drive of the surgical instrument, and the other is located at the place where the trocar is attached, and each of which is connected to the digital processing module of the incoming data.
  • the positioning system of the manipulator of the assisting surgical complex influencing the achievement of the task and the set technical result in that it has the properties to position the manipulators in various positions necessary for performing robotic operations, while being completely mechatronic and digital and has a contour of both straight and feedback.
  • the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex influencing the achievement of the set task and the set technical result by ensuring fully digital control of both individual blocks and units, and the complex as a whole.
  • A. Combined manipulator of the assisting surgical complex which influences the achievement of the set task and the set technical result in that it is completely mechatronic and digital and has both direct and feedback circuits.
  • the controller of the operator of the assisting surgical complex which affects the achievement of the bed task and the set technical result by being completely mechatronic and digital, and has both a direct and a feedback loop.
  • C The system of numerical software control system (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the set task and the set technical result by providing fully digital control of the operator's controller, manipulator and the system for assessing the force on the instrument, separately for each unit and during their interaction ...
  • CNC numerical software control system
  • the system for evaluating the effort on a robotic surgical instrument which affects the achievement of the set task and the set technical result due to the evaluation of efforts on a tool and increasing the reliability of identifying their sources, as well as due to the presence of the following properties in the structure: the ability to assess the forces acting on a surgical instrument of a robotic surgical system applied to any part of its structure; the ability to unambiguously determine the direction and numerical value attached to the surgical instrument
  • Controller of the operator of the assisting surgical complex which affects the achievement of the set task by a fully digital mechatronic implemented design that allows the operator / surgeon to interact with the hand, in any range of their movement, with the surgical complex and directly with the component
  • C Numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task due to a completely digital control system and an algorithm for calculating the movement of the manipulator, converting it into commands for the manipulator.
  • CNC Numerical control system
  • the combined manipulator of the assisting surgical complex which influences the achievement of the assigned task by being compact, lightweight, fully mechatronic and digital.
  • C Numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by providing fully digital control of the positioning system of the manipulator and the combined manipulator, both as separate units and their joint work.
  • CNC Numerical control system
  • CNC Numerical control system of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task due to a fully digital control system for the manipulator, operator controller and positioning system of the complex.
  • the controller of the operator of the assisting surgical complex which affects the achievement of the task by being a fully digital mechatronic implemented design.
  • FIG. 1 depicts a structural model of a robotic surgical system that is used for the present invention.
  • FIG. 2 illustrates a schematic diagram of a specific embodiment of an assisting surgical unit.
  • FIG. 3 illustrates a perspective view of a controller for controlling the mechatronic devices of an assisting surgical unit by an operator.
  • FIG. 4 illustrates the developed model of an operator controller with a positioning unit made in the form of a delta robot.
  • FIG. 5 illustrates an operator controller positioning unit
  • FIG. 6 illustrates a general view of the structure of a manipulator.
  • FIG. 7 shows a general view of a model of a tripod with a surgical instrument installed on its movable platform.
  • FIG. 8 illustrates a general view of the structure of the manipulator with a surgical instrument installed on its movable platform.
  • FIG. 9 illustrates a schematic representation of a surgical instrument located on a support attached to a manipulator.
  • FIG. 10 depicts the architecture of a force rating system.
  • FIG. 11 illustrates the mechanism of the manipulator positioning system and its attachment to the operating surgical table.
  • FIG. 12 illustrates a general view of the assembly of the manipulator positioning system in the working position.
  • FIG. 13 depicts a block diagram of the operation of the automatic control system of the camera manipulator.
  • FIG. 14 illustrates the interaction of the surgeon's hands with the controller for nephrectomy.
  • FIG. 15 illustrates the most common position of the surgeon's hands during the operation.
  • robot technological complex means complex systems or complexes in surgery using a robotic assistant during operation time.
  • Robot assistive systems or “robotic assisted surgical systems” are robotic systems designed to perform medical operations. These are not autonomous, automatic devices, robotic-assisting systems during the operation are controlled by surgeons.
  • 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.
  • surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
  • surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
  • surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
  • surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
  • surgeon and “surgeon” in the present description of the invention are synonymous.
  • manipulator means a mechatronic mechanism designed to secure and move (change the position) of a surgical instrument during a surgical operation in accordance with given commands from the control system of the robotic surgical complex.
  • the term "portal mechanism” is understood as a mechanism of a robotic system, consisting of two support (portal) frames, which are able, upon command from the control system of the robotic surgical complex, to move relative to one another along axes located at an angle of 90 ° relative to each other.
  • longitudinal displacement module and “lateral displacement module” are understood as mechanisms that ensure the mutually perpendicular movement of one or another element relative to each other.
  • the term "surgical instrument”, "instrument” means a special instrument of small size, which is fixed in a surgical robot for performing operations. During surgery, instruments can move, rotate, and rotate over a much wider range and much more accurate than the human hand. Depending on the type of operation, the appropriate tool is used that allows it to be carried out most efficiently.
  • a miniature robotic surgical instrument performs tissue dissection, tissue movement, clamping, suturing, etc., which allows you to work with hard-to-reach parts of organs without the risk of damaging healthy tissues.
  • tool execution part means the tool surfaces or part of the tool with which the tool performs its service purpose.
  • actuation surfaces such as jaws, are located at the end of the instrument inserted into the patient's body and perform complex movements initiated and controlled by the surgeon.
  • the controller is raised, which “digitizes” - translates the position of the operator's hand into numerical values / coordinates and allows integrating a new tool into the complex and controlling it, without further changes in 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.
  • Sweat by the term "absolute position" in this document means a coordinate defined relative to a fixed structural member.
  • rotation sensor in this document refers to a device designed to convert the angle of rotation of a rotating object into electrical or analog signals, allowing 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 sensors can be used on based on incremental and absolute encoders.
  • the sensors have digital output signals Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profmet and others. Sensors based on analog steering angle sensors and / or magnetic steering angle sensors can also be used.
  • connection means functionally connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.
  • the present solution relates generally to an assisting surgical system, the general structure of which is shown in FIG. 1.
  • the robotic surgical complex includes three main units.
  • the first node is the controllers, which serve as a master device and with which the surgeon interacts directly.
  • the second executive unit is manipulators on which medical instruments are installed. Depending on the procedure performed, it is possible to change the medical instrument to a more suitable one.
  • the third node of the robotic-surgical complex is the computing unit, with the help of which all interactions of the system are carried out.
  • the robotic surgical complex can be used for various surgical procedures, including urology, gynecology, abdominal, neuro- and cardiac surgery.
  • the robotic surgical complex 1000 consists of three interconnected main units: the patient carriage (actuator) 1300, the automatic control system 1200 and the control console (master device) 1100, which receives commands from the surgeon 1130 to further transform them into movement of surgical instruments or to ensure the generation of control commands from the surgeon for other units of the robotic surgical complex.
  • one of the nodes in the robotic surgical complex is a stereo imaging system (imaging system), which includes a camera 1400 for obtaining an image of the operating field 1330 and a monitor of the imaging system 1140 for displaying a three-dimensional image of the operating field obtained from the camera.
  • imaging system includes a camera 1400 for obtaining an image of the operating field 1330 and a monitor of the imaging system 1140 for displaying a three-dimensional image of the operating field obtained from the camera.
  • the efficiency of the operation depends on the quality of the image obtained by the surgeon.
  • the modern development of mechatronic systems and the constant improvement of robotic surgery present new requirements for the developed devices of the visualization system.
  • the control console 1100 is located outside the sterile zone of the surgical unit and is made with the ability to control: manipulators 1310, 1311, 1312 with surgical instruments attached to them; a manipulator 1320 with a camera 1400 attached to it; directly by the surgical instruments themselves.
  • the control involves the controller 1110, controlled by the hands of the surgeon, and the pedals 1120, controlled by the feet of the surgeon.
  • manipulators with surgical instruments and a camera are mounted on a patient trolley, which is designed to support and position them relative to the patient.
  • the robotic surgical system can have any number of manipulators, such as one or more manipulators.
  • FIG. 1 shows three manipulators 1310, 1320, 1330, made with the possibility of movement in three planes and rotation in three planes, as well as a manipulator 1320 of the camera 1400. All manipulators indicated in the structural diagram and being part of the patient cart have common mechanical characteristics and design features ...
  • Each manipulator has a casing and a manipulator connection unit, to which a surgical instrument or camera can be detachably attached, the movement and position of which the surgeon can change by manipulating / controlling using a control controller that digitizes the movement of the surgeon's hands.
  • the surgeon control controller 1110 allows you to control the surgical instruments and the camera located inside the patient during surgery.
  • the operator controller 1110 converts the mechanical movements of the surgeon's hand over the entire natural range of motion in six degrees of freedom to generate control commands for the robotic surgical complex.
  • the surgeon's control controller (operator controller) 1110 generates a command to move the surgical instrument. Additionally, the controller controls the turning and opening-closing of the jaw on the surgical instrument.
  • the surgeon 1130 has the ability to generate at least three translational and three rotational degrees of freedom and additionally at least one degree of freedom when opening / closing jaws, which is sufficient to control a surgical instrument performing a surgical operation.
  • Pedal 1120 in this application is understood as a contact switching device (mechanical or electronic) capable of turning on / off the passage of current in a circuit.
  • a pedal, button, switch, switch and the like can act as such an apparatus.
  • the pedal 1120 is a footswitch that closes an electrical circuit when the surgeon depressing the pedal with his foot.
  • the automatic control system 1200 based on the data received from the controllers 1110 and the signal from the pedals 1120, generates control commands that can be directed both to the manipulators 1310, 1311, 1312 with surgical instruments, and to the manipulator 1320, in which the camera is fixed. Pressing and holding the footswitch 1120 disables controllers 1110 from operating surgical instruments (from operating manipulators 1310, 1311, 1312 with surgical instruments) and enables and allows movement of manipulator 1320 with camera 1400. In this mode, both controllers 1110, right and left work at the same time. When the pedal 1120 is released, the controllers 1110 will again operate the surgical instruments. In this case, the automatic control system 1200 receives data on three translational and three rotational degrees of freedom from the control controller 1110 and generates on their basis three translational and three rotational movements of the manipulator with a surgical instrument.
  • the surgeon can control the movement and orientation of the surgical instruments without actually holding the surgical instruments directly in his hands, he (the surgeon) can operate the complex both in a sitting and standing position.
  • the complex can be provided with a chair.
  • FIG. 2 A preferred embodiment of an assisting surgical unit 2000 according to the present invention is depicted in FIG. 2.
  • the complex consists of the following main components:
  • surgeon's control controller used in the complex according to the present invention, which receives commands from the surgeon, converts them into the movement of the surgical instrument inside the patient's body during the surgical operation and / or provides all control commands from the surgeon with the components of the robotic surgical complex.
  • An automatic control system made in the form of a numerical programmed control (CNC) system of an assisting surgical complex, and providing numerical control of the entire complex and individual units, such as a monitoring system for the operating field, surgical instruments, auxiliary technological equipment, an operating table, and equipment.
  • CNC numerical programmed control
  • control controller 2110 interacts with the mechanical manipulator 2320, which is part of the robotic surgical complex, with a camera attached to it, in such a way as to reduce or completely eliminate the number of compensatory movements performed by the surgeon when controlling the camera, thereby ensuring a reduction in the duration of the operation , reducing the risk of surgeon errors, as well as reducing surgeon fatigue based on the most intuitive way to control the camera.
  • a system for evaluating the forces of action on the patient's tissues and organs with a tool in the process of a robotic surgical operation is integrated.
  • the use of such a system allows the surgeon to realize tactile sensations from the contact of the instrument surfaces with the patient's tissues, without creating sensations from the contact of the instrument with the trocar, which are forced to arise in the form of friction and various lateral forces when the instrument moves in the trocar during operation.
  • the operator controller 3000 (Fig. 3) 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.
  • a general view of the operator's controller is shown in Fig. 3.
  • the operator controller 3000 generally consists of a control handle 3100, a positioning platform unit 3200, and a digital control unit (not shown in the drawing).
  • the specified controller 3000 has a feed-forward loop for giving commands from the operator (surgeon) 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 3000's feedback loop is designed to transmit tactile sensations to the hand.
  • the hand contact of the controller 3000 is realized at the control handle 3100.
  • the control handle 3100 generally consists of a hand controller 3110 and a wrist controller 3120, each of which provides two rotational degrees of freedom for the controller 3000.
  • the 3200 controller positioning platform block is a hand controller that provides three translational degrees of freedom of the controller 3000 by reciprocating the movement of the controller 3000 mechanism along three mutually orthogonal axes.
  • a wrist controller 3120 is attached to the hand controller 3200, which is part of the control handle of the controller 3100.
  • the operator controller 3000 monitors and converts into a digital signal the movement of the hand in six degrees of freedom.
  • FIG. 4 depicts a perspective view of a mechatronic device controller with six degrees of freedom and consisting of a hand controller, a wrist controller, and a hand controller.
  • the hand controller (or block-positioning platform) 3200 consists of at least two platforms - fixed support and movable - and a positioning unit.
  • a movable platform is attached to the fixed support platform by means of a weight compensation mechanism including a positioning unit made on the principles of a parallel structure, preferably based on a delta type mechanism (delta robot or deltapod), and a drive mechanism that drives the delta robot while ensuring minimal backlash.
  • a weight compensation mechanism including a positioning unit made on the principles of a parallel structure, preferably based on a delta type mechanism (delta robot or deltapod), and a drive mechanism that drives the delta robot while ensuring minimal backlash.
  • the positioning unit is a closed kinematic chain consisting of rods of constant length arranged in pairs in parallel and connected at one end to the corresponding actuators fixed on a fixed support platform, and at the other ends to a movable platform.
  • Delta mechanisms have increased maneuverability and an extended border of the working area.
  • controller based on the parallel structure mechanism in comparison with the sequential structure controllers and other controllers, has a significantly lower weight and size, while at the same time greater accuracy, rigidity and power.
  • the delta robot (FIG. 5) is a view of a parallel robot that consists of three arms 410 located at an angle of 120 ° relative to each other and attached to a support platform 420.
  • An advantage of the delta robot design is the use of parallelograms 440 containing constant-length rods arranged in pairs in parallel and connected to each other using cardan joints 450.
  • the parallelograms 440 are connected at one end by the corresponding levers 410, and at the other end are connected to the movable platform 430. This design allows you to maintain the spatial orientation of the robot mechanisms. In this case, the movable platform 430 is always parallel to the supporting platform 420.
  • the connection of the arms 410 to the support platform 420 is made through the upper bearing assemblies 460 to provide the necessary angles for the initial state of the delta robot.
  • the upper bearing assemblies 460 are fixed on a support platform 420.
  • the levers 410 form an equilateral triangle at the connection centers, the angles of which affect the size of the useful working area of the delta robot.
  • Levers 410 are responsible for the movement along the Z axis. By increasing the length of the lever 410, the stroke along the Z axis increases.
  • the dimensions when moving along the X and Y axes are set by parallelograms 440.
  • the controller drive mechanism that drives the controller positioning unit, in particular the levers 410 can be made in the form of any known mechanism, ensuring the reduction of precision losses due to backlash during the operation of the mechanism.
  • the drive mechanism can be configured as a crank mechanism. It is driven by a ball screw, which performs rotary movements by a servo drive with an integrated electromagnetic brake and an angle position sensor.
  • Servo drive is an electromechanical device that carries out dynamic movements with constant control of the angle of rotation of the shaft, and also provides the ability to control angular speeds in various actuators.
  • the parameters of the electric drive change and some corrective action is taken for the servo motor (or a series of actions), such as shaft rotation, acceleration or deceleration, so that the value from the encoder is as close as possible to the value of the external control parameter.
  • the type of servo used can be anything. In some embodiments of the controller, an integrated servo is used.
  • any known backlash-free gearbox with zero mechanical backlash can be used as a drive mechanism, for example, a backlash-free precision gearbox, preferably wave type, or a planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 '.
  • the drive mechanism includes a ball screw servo 510 with a crank mechanism.
  • the gear ratio of the drive train can be increased or decreased.
  • a strain-gauge platform 610 is installed and fixed, which is configured to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of force application and the acceleration of the force applied to the hand from the forearm and other, higher-located parts of the operator's hand during control of the mechatronic complex.
  • the strain gauge 610 is equipped with strain gauges (strain gauges) 600 to accurately and efficiently determine the applied forces from the operator, which are attached to the strain gauge through bearing assemblies 620. Strain gauges 600 convert the amount of deformation into an electrical signal.
  • Load cell 600 on one side with its movable end is connected to the support bearing housing 620, and on the other side is connected with the other end to the load platform 610 through the bearing assembly of the load platform 660.
  • Load cells 600 are located on the load cell 610 and are mated to each ball screw, namely shaft ball screw drive, through the support bearing units 620.
  • the mechanical force applied by the operator and transmitted from the forearm to the operator's hand passes through the movable platform 430 of the hand controller along the rods of parallelograms 440 of equal length, arranged in pairs in parallel and connected by one ends behind the drive crank mechanism.
  • the crank mechanism is connected to a ball screw drive.
  • the arm 410 is connected to the upper bearing assembly 460 and via the connecting rod to the lower bearing assembly.
  • the rotational movements of the lever 410 are translated into translational movements of the guide platform, on which the lower bearing assemblies and the ball screw nut are installed.
  • the translational movements from the nut are transmitted to the rotational movements of the ball screw shaft, which acts on the support bearing assembly 620.
  • the crank mechanism acts on the support and bearing assembly 620.
  • the load cell 600 mounted on the load cell 610 with its movable end connected to the support bearing housing 620.
  • the load cell 600 converts the amount of deformation into an electrical signal and transmits it through its outputs to a digital controller control unit (not shown in the drawing).
  • the digital control unit of the controller calculates the trajectory of the delta robot along three linear coordinates and, using servo drives, moves the positioning unit to the required position.
  • the digital control unit can be configured to compare the received value of the deformation signal, and therefore the displacement, with a predetermined value that determines the position of the delta robot in equilibrium and supply such a control signal to the servo drive so that the value from the position sensor angles became as close as possible to the value of the external control parameter.
  • Such a mechanism makes it possible to implement a mechanism of controlled counteraction to the natural lowering of the delta-robot under the influence of the gravity of the moving parts of the controller - the “virtual weight” system (SVV).
  • UHV allows you to adjust the weight felt by a person on the control handle of the controller in the range from the actual (100%) to 0% - "zero buoyancy".
  • the "virtual weight” system multiplies the amount of force applied by the operator's hand to the control handle of the controller, which allows you to individually select and always provide a comfortable and constant force for a person when acting on the controller, regardless of the size and weight of the parts that make up the controller.
  • the digital control block of the controller is configured and built in such a way that allows you to focus maximum efforts on high-level control algorithms, freeing the user from the need to develop and debug devices and applications for controlling individual servo drives.
  • the digital control unit of the controller has the ability to record all control commands and transfer them to the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on a computer.
  • CNC numerical control system
  • the configuration of the hand controller makes it possible to move it by the operator's hand along three linear coordinates, without spending significant forces on the operator's hand, compensating for the lack of force by the operation of the actuator motors, controlled by signals from the digital control unit of the controller to obtain the exact coordinates of the hand position from the movement of the forearm and other higher , parts of the hand of the operator-surgeon at least three degrees of freedom, and compensation for the weight of the hand controller in statics or during movement.
  • the wrist controller 3120 attaches to a movable hand controller platform (FIG. 4).
  • the main purpose of the 3120 wrist controller is to implement contact and interaction with the operator's wrist and provide 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 simulating one or another steps to train the operator.
  • the wrist controller 3120 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 turns in the operator's wrist during control of the mechatronic complex.
  • the design of the wrist controller is limited and specified by the physiological angle of the possible rotation of the wrist in these planes.
  • the wrist controller 3120 includes at least two blocks: a pivot block and a movable console block, each of which provides two degrees of freedom for the wrist, and at least one wrist controller control block.
  • the rotation mechanism assembly is attached to the hand controller 3110 so as to be rotatable about the longitudinal axis of the hand controller while providing one degree of freedom for the hand controller.
  • the structure of the movable arm block provides one degree of freedom relative to the swing mechanism block.
  • 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 hand controller For reading data from sensors for determining the angle of rotation and performing a rotation the block of the movable console and / or the block of the rotation mechanism, the hand controller includes the drive elements.
  • the hand controller 3110 is used.
  • the hand controller 3110 is designed for contact and interaction with the surgeon's hand and, most accurately, controls at least one angle of rotation of the hand and movement, relative position of at least two fingers, converting this information into a digital signal.
  • the hand controller 3110 provides a minimum weight load on the operator's hand during control, has and implements a feedback channel from an element of a robotic technological complex or a control system as a whole.
  • the hand controller 3110 is characterized in that it contains a grip with finger grips.
  • the handle has a body that is gripped and held by the operator during operation. Finger grips are made with the possibility of placing the operator's fingers on them during operation.
  • the hand controller includes sensors for the rotation of the finger grips to determine the absolute position of the finger grips relative to the axis of rotation of the finger grips and a handle rotation sensor to determine the absolute position of the handle relative to its longitudinal axis, drive elements of the handle and finger grips, and a wrist controller control unit.
  • the 3110 hand controller monitors and digitizes the operator's hand deflection, as well as the position (approach / close / withdrawal) of at least two fingers, together with the operator's hand, wrap around the hand controller handle in the area of the finger grips.
  • the handle rotation sensor When the handle is turned by the operator's hand, the handle rotation sensor generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the hand controller, which calculates the angle of deflection of the handle relative to its longitudinal axis and transmits this information to the digital control unit of the controller, which is configured to transmit the received signals on the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on the basis of a computer.
  • CNC numerical control system
  • Finger grips work in combination.
  • one finger grip is integral with the handle body and is stationary relative thereto.
  • the other finger grip is movable and has one turn, rotating around its axis coinciding with the longitudinal axis of the handle.
  • the finger gripper rotation sensor reads the angle of rotation of the movable finger grip around its axis of rotation and transmits a digital signal to the hand controller control unit, which calculates its position relative to the stationary finger grip and transmits this information to the digital controller, which is configured to transmit the received signals on a numerical software system control (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on the basis of a computer.
  • CNC numerical software system control
  • the wrist controller monitors and digitizes the deflection of the wrist relative to the anteroposterior axis in the sagittal plane (abduction or adduction of the hand, also sometimes called radial deviation of the hand), as well as the rotation of the wrist around a predetermined center, repeating the rotation of the radius together with a 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 wrist controller control unit, which calculates the console deflection angle and transmits this information to the digital control unit controller, which is configured to transmit the received signals to the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on the basis of a computer.
  • CNC numerical control system
  • the rotation sensor of the rotation mechanism unit When the rotation mechanism unit is rotated around a predetermined center with the operator's wrist, the rotation sensor of the rotation mechanism unit generates a digital signal about the rotation angle and transmits it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of deflection of the unit relative to the longitudinal axis of the operator's hand and transmits this information to the digital control unit controller, which is configured to transmit the received signals to the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on the basis of a computer.
  • CNC numerical control system
  • the digital control unit of the controller plans the trajectory of rotation of the handle and / or finger grips and / or the unit of the swing mechanism and / or the unit of the movable console and using the control signal supplied to the drive element of the handle and / or the drive element of the finger grips and / or the drive element of the pivot mechanism unit and / or the movable console unit, moves the handle and / or finger grips and / or the pivot mechanism unit and / or the movable console unit and the hand itself and / or the operator's wrist to the required position.
  • Hand controller control units and / or wrist controller control units, strain gauge platform, digital controller control unit can be interfaced with the digital controller control unit via a common data bus.
  • the digital control unit of the controller is configured to record data on received / transmitted commands.
  • the digital control unit of the controller in turn, through a common data bus is interfaced with the CNC system of the assisting surgical complex.
  • the digital control unit of the controller has the ability to repeat / demonstrate the movements of the recorded commands both in free mode and transferring movements to the operator's hand located on the controller handle.
  • Data transmission means are selected from devices designed to implement the process of communication between various devices via wired and / or wireless communication, in particular, such devices can be: GSM modem, Wi-Fi transceiver, Bluetooth or BLE module, GPRS module, Glonass module, NFS, Ethernet, etc.
  • the operator controller is used to control a manipulator with surgical instruments or a camera. Therefore, any movement of the hand or wrist or hand of the surgeon leads to movement of manipulators or surgical instruments.
  • Control signals from the digital control unit of the controller go to the CNC system of the assisting surgical complex, to the digital control unit of the manipulator positioning system and directly to the drive elements, the manipulator drive units to set them in motion.
  • the combined manipulator 4000 (Fig. 6), used in the assisting surgical complex, is a two-component spatial mechanism, or rather an improved tripod design in combination with a portal mechanism of its linear movements over the working area.
  • Such a hybrid kinematic scheme makes it possible to create a manipulator with the necessary mobility and the angle of rotation of the output link, on which the surgical instrument is ultimately installed.
  • the combined manipulator 4000 includes a 4100 mechanism equipped with drive elements 4200 (tripod or tripod type mechanism) and a portal mechanism for moving the 4100 mechanism along two linear axes, equipped with drive units 4400.
  • drive units 4200 and drive units 4400 are made with the possibility of transmitting data to the control system of the robotic surgical complex (CNC system of the assisting surgical complex) when moving elements or receiving control signals from the control system of the robotic surgical complex (from the CNC system of the assisting surgical complex) to move the output link of the manipulator to the required position according to the calculated data.
  • Tripod 4100 consists of two platforms: a fixed support platform (base) 4110 and a movable platform 4120, which are interconnected by three rods 4130 of constant length.
  • the three rods 4130 are connected at one end through a bearing assembly with corresponding drive elements 4200, and the other ends of the rod 4130 are connected through hinges to the movable platform 4120.
  • the rods 4130 are universal shafts, and the hinges in the preferred embodiment of the invention are cardan joints (Hooke's hinges), which provide two degrees of freedom at the attachment point (two rotational degrees of freedom).
  • the mechanism 4100 of the "tripod" type is driven by the drive elements 4200.
  • the three drive elements 4200 By interconnectedly controlling the three drive elements 4200 according to a certain law, it is possible to move the movable platform 4120 of the manipulator tripod in space (two rotations and one linear movement).
  • the movable platform 4120 of the tripod is its end link, therefore, it is the output link of the tripod.
  • the actuator 4200 may be any known mechanism to reduce loss of accuracy due to backlash.
  • any known servo drive can be used as a drive element 4200 in conjunction with a backlash-free gearbox with zero mechanical backlash, for example, a backlash-free precision gearbox, preferably wave-type, or with a planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 '.
  • the actuator 4200 includes a dynamic and precise synchronous ball screw servo. Depending on the pitch of the ball screw, the gear ratio of the drive element can be increased or decreased.
  • the design of the portal mechanism provides two additional linear movements for the 4100 tripod in space - longitudinal and transverse.
  • the portal mechanism consists of a transverse movement module, along which tripod 4100 moves in the transverse direction, and a longitudinal movement module, along which a lateral movement module moves in the longitudinal direction.
  • Module structures are located in parallel planes. Each of the modules is made in the form of a rectangular frame.
  • the drive unit 4400 of the portal mechanism can be made in the form of any known mechanism that provides a reduction in accuracy losses due to backlash during operation.
  • each of the linear axes of the gantry is driven by a precision synchronous servo 4410 in conjunction with a belt drive.
  • the 4410 servo drive is paired with the 4411 precision planetary gearbox. It is required to increase the motor torque and increase the load capacity of the structure.
  • the 4411 gearbox can be any known zero-backlash gearbox.
  • the belt drive is a polyurethane toothed belt paired with 4412 toothed pulleys. These drive belts are not stretched due to the pressed-in cord, and thus are not subject to permanent deformation. The elongation caused by peripheral forces and pretension is extremely small. This solution is suitable for high power transmissions and the required accuracy.
  • Tripod possesses two rotational and one translational degree of freedom.
  • the translational movement (Z axis) is ensured by the synchronous operation of three servomotors in the same direction.
  • the mechanism of linear movements of the tripod provides an additional two degrees of freedom (along the X, Y axes).
  • the developed manipulator allows the most accurate, with the maximum required angles of rotation, with the minimum weight and size of the structure, to ensure the movement of the output link (movable platform of the tripod) around the remote center of movement - point "0".
  • a surgical instrument 4500 (Fig. 7) is mounted on the output link of the combined manipulator, for example, made in the form of an end effector 4510 with jaws and a drive 4550 to control the end effector of the surgical instrument.
  • the actuator 4550 is mounted on a platform of a surgical instrument (not shown in the drawing), for which a separate actuator 4600 is provided for movement along one linear axis.
  • Actuator 4600 can be any known mechanism to reduce loss of accuracy due to backlash during operation.
  • the platform of the surgical instrument, in conjunction with the surgical instrument is driven by a linearly accurate synchronous servo drive 4610 in conjunction with a belt drive. It provides an additional Z-stroke to the 4500 surgical instrument when movement along this axis, due to the simultaneous operation of the 4210 servo motors of the 4100 tripod, would be insufficient, undesirable or impossible.
  • the platform 4620 is rigidly connected to the movable platform 4120 of the tripod with a linear guide 4630 installed on it, along which the carriage (not shown in the drawing) with the platform of the surgical instrument fixed to it moves with the help of the servo drive 4610 4500.
  • Such a kinematic scheme allows the insertion of the instrument into the patient's body at point "0" (the point of entry of the surgical instrument into the patient's body) and, using the developed mathematical apparatus of the control system, ensure the movement of the entire mechanism around this point.
  • the surgeon moves the "handle" of the operator's control controller.
  • a digital signal is generated and transmitted to the digital control unit of the controller, and then to the CNC system of the assisting surgical complex.
  • the CNC system transforms the coordinates of all elements of the operator's controller into the coordinates of the executive device (manipulator). It generates drive control signals for each degree of mobility of the actuator in such a way that one or another of its movement corresponds to the direction in which the operator is the surgeon acted on the mechanism of the control controller, and it was intuitive for him. Possible movements of the combined manipulator are shown in Fig. 8.
  • the drive units (drive elements) of the manipulator and the surgical instrument are connected to the CNC system. They are linked via a common data bus.
  • the CNC system is made with the ability to record data on the received commands.
  • Data transmission media 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, NFS, Ethernet etc.
  • the complex uses a force assessment system.
  • the system is an integral part of the actuator of the robot-assisted surgical complex and implements the measurement functionality for the implementation of tactile feedback by the complex.
  • the force evaluation system used in the force feedback loop should have the following functions:
  • FIG. 9 is a schematic illustration of a surgical instrument attachment structure.
  • the mount design is a support configured to position and secure the trocar to it and secure the instrument by securing the instrument drive.
  • a trocar holder is used in the mount design.
  • FIG. 9 numbers indicate the following structural elements: 5100 - three-axis strain gauge (upper strain gauge); 5200 - three-axis strain gauge (bottom strain gauge); 5300 - trocar holder. The designations adopted in FIG.
  • 01 is the point of insertion of the trocar into the patient's body, around which two rotations of the instrument inserted into the trocar are made during the operation (zero point), the point is inside the trocar, A is the position of the end of the surgical instrument that is inserted into the patient's body, B is the position of the opposite the end of the surgical instrument installed in the surgical instrument drive. Angles of orientation (angles of rotation) of the surgical instrument in the horizontal plane and tilt are considered relative to the pivot point (zero point). Zero point 01 is defined as the origin.
  • the mechanical interaction of the elements of the instrument, the structure of the fastening of the surgical instrument and the elements of the manipulator is realized through two multi-axis strain gauges, one of which is located at one end of the instrument under the instrument drive, and the other at the place where the trocar is fixed.
  • the location of the strain gauges is shown in FIG. 9.
  • strain gauges As multi-axis strain gauges, bending gauges based on strain gages, capacitive strain gauges or gauges of any other principle of operation can be used, which make it possible to measure the force applied to them.
  • strain gauges with a sensitive element in the form of a strain gauge can be used as strain gauges.
  • Sensors of this type have a high output impedance, and the signal has a low power, which limits its propagation in space.
  • the executive surfaces located at the end of the instrument inserted into the patient's body perform complex movements initiated and controlled by the surgeon.
  • the executive part of the instrument When resistance to the movement of the executive part of the tool occurs or when parts of the tool come into contact with the fabric of the patient, a bending of the sensitive element of the strain gauge along the corresponding axis occurs. Since the instrument, located in the fastening structure of the surgical instrument, contacts the manipulator at two points, one of which is the trocar location zone, and the other is the location of the surgical instrument drive, the effort is measured at both points and further joint processing of these signals.
  • the outputs of the strain gauges are connected directly to the digital processing modules, which amplify the signals and convert them into digital form.
  • the digital processing modules can be located directly next to the strain gauges. The specified location is optional and can be changed if necessary, for example, when using strain gauges with a signal amplification board. However, the location of the digital signal processing module of strain gauges in close proximity to each used strain gauge is preferable, since it provides a high signal-to-noise ratio and resistance to external electromagnetic disturbances.
  • a surgical instrument such as jaws
  • current sensors for gripping / squeezing motors can be used.
  • the principle of measuring the compression force is to increase the current consumption of the motors when resistance to the movement of the gripping elements of the tool structure occurs.
  • Compression motors are part of the drive of the surgical instrument.
  • an electric motor current sensor can be used, which provides rotation around this axis.
  • the principle of torque measurement is to increase the current consumed by the electric motor when resistance to movement occurs.
  • the motors that rotate around the Z axis are part of the drive for the surgical instrument.
  • electric motors are used as motors.
  • Each of the current sensors of the surgical instrument drive motors can be connected to a motor control system.
  • the digital processing modules and motor control systems are connected to the processing module via a data bus.
  • the data bus can be RS485, CAN, Bluetooth, or some other wired or wireless data interface.
  • the processing module is designed for group processing and synchronization of signals from strain gauges, torque transducer and gripping force transducer. The use of a separate device as a processing unit is optional. It can be combined with any digital processing module or with a control system.
  • the control system (CNC system of the assisting surgical complex) uses the data received from the processing module to further organize feedback and transmit signals to the surgeon.
  • the architecture of the force assessment system is shown in FIG. ten.
  • Data from the data processing module goes to the control system of the robotic surgical complex (CNC system of the assisting surgical complex) and is transmitted to the digital control unit of the surgeon's controller.
  • CNC system of the assisting surgical complex CNC system of the assisting surgical complex
  • the surgeon holds the controller in his hands and, moving it, generates a digital signal, with the help of which the instrument is controlled through the control system of the robotic-surgical complex and the manipulator.
  • the force assessment system determines these forces, converts the information into a digital signal, which is transmitted to the surgeon's controller in the reverse order through the control system of the robotic surgical complex.
  • the surgeon's controller is designed in such a way that it receives these signals and converts them into mechanical movements of the controller in the direction opposite to the movements of the surgeon's hand controlling the instrument.
  • the resulting resistance creates a sensation on the hand as if it were touching tissue.
  • the intuitive movement of the instrument which coincides with the movements of the hand, as well as the sense of touching the tissue with the instrument, makes the surgeon feel that he is holding the instrument directly in the hand during the operation on the robotic system.
  • the manipulator positioning system ensures the attachment of manipulators to the operating table and increases the number of possible positions of the manipulator relative to the patient, and, in addition, allows the manipulators to be removed from the operating area in the shortest possible time in an automated or manual mode.
  • the fastening mechanism (see Fig. 11) of the positioning system of manipulators to the surgical table in general, consists of two aprons 6007, each of which has the ability to be attached to the side of the surgical table in a removable manner so that on opposite sides of the table there is one apron 6007 (further the description of the system design refers to one of the aprons, while the design of the second apron and its systems is identical).
  • At least one guitar 6006 can be mounted on one apron 6007, and on it at least one telescopic vertical column 6008, each of which has its own positioning arm (positioning mechanism) with a fixed manipulator (not shown).
  • FIG. 11 shows an example with one column 6008 and correspondingly with one positioning arm.
  • guides 6011 are fixed vertically relative to the table, which serve to bring the manipulators out of the storage area to the working area and along which the horizontal element 6006 moves vertically, which in the following will be referred to as "guitar" 6006 in the materials of the application.
  • Guitar 6006 is attached on one side to the installation platform, and on the other side is equipped with rails 6012.
  • the installation platform 6022 is connected to the corresponding carriages mounted on the rails 6011 of the apron 6007.
  • the installation platform can be moved along the rails 6011 of the apron 6007 under the influence of any type of actuator (electric, hydraulic, pneumatic, etc.).
  • the drive in FIG. 11 is not shown.
  • Guitar 6006 Guides 6012 are installed along the entire length of 6006.
  • Guitar 6006 has at least one vertical column 6008 that is horizontally movable along the guitar 6006.
  • the vertical column 6008 is a telescopic two-piece stand.
  • the components of the rack are identical and symmetrical.
  • the component facing towards the guitar 6006 is the inside of the vertical column 6008, and the component facing away from the surgical table is the face of the vertical column.
  • Each side is provided with guides extending along the entire length of the vertical column 6008 and ball screw drives 6013 with actuator 6009. On the inner side of the column 6008, some guides are installed, and on the front side of the column 6008, guides 6016 are installed.
  • the vertical column 6008 is connected to the guitar 6006 as follows.
  • the carriages 6010 are mounted on the guides 6012 of the guitar 6006.
  • the carriages 6010 are equipped with a connecting module 6015, which performs the function of moving the positioning system along the surgical table.
  • the 6015 connection module consists of two parts, which together form a reliable, rigid, quick-release connection.
  • Connecting module 6015 is attached on one side to the carriages 6010, and on the other side of the connecting module 6015, carriages 6014 are attached to it.
  • the carriages 6014 fit into the guides, which in turn are mounted on the inner side of the vertical column 6008.
  • the vertical column 6008 moves horizontally in one whole with the connecting module 6015 along the guides 6012 of the guitar 6006 under the influence of a drive mechanism made in the form of a drive 6009 and a ball screw (ball screw) 6013 located on the guitar.
  • a positioning mechanism on a series structure is fixed by means of a connecting element 6004, which consists of two consoles and a turntable 6003 for attaching and positioning a manipulator 6018 (see Fig. 12).
  • Connector 6004 is attached through rails 6016 on the front of the column 6008 in such a way that it forms a kinematic pair with a positioning mechanism on a sequential structure.
  • the joint of the element 6004 and the console 6002 contains several independent actuators with position sensors, and in the joint of the console 6002 and the console 6005 there are also several independent actuators with position sensors.
  • the listed drives form the drive unit 6017.
  • the joint of the console 6005 and the platform 6003 also contains an independent drive with position sensors.
  • the connecting element 6004 thanks to the carriages, has the ability to make vertical translational movements along the guides 6016 on the front side of the vertical column 6008, and the column 6008 itself has the ability to move vertically along the connecting module 6015 along the guides.
  • the movements can be performed jointly or alternately.
  • the positioning mechanism of the manipulator carries out movement in the plane of the surgical table, turning relative to the connecting element.
  • Swivel arms 6002 and 6005 are rotatable in a horizontal plane so that the arm 6002, being above the surface of the surgical table in the working position, makes a full 360-degree rotation and has the possibility of limited rotation below the surface of the table when inoperative.
  • On the specified console 6005 there is a mounting and positioning assembly 6003 of the manipulator 6018 with a surgical instrument, made with the possibility of rotation around its axis to bring the manipulator 6018 into the working position (see Fig. 12).
  • the drive mechanisms can be made in the form of any known mechanism that provides linear movements and reduces the loss of accuracy due to backlash.
  • all of the slide movements described above are controlled by ball screws (ball screws) 6013, which drive servomotors 6009, each of which is connected to its own gear.
  • a servo drive is used in conjunction with any known gearboxes with zero mechanical backlash, for example, backlash-free planetary gearboxes.
  • Such drive mechanisms used on the rotary axes in the structure of the mechanism, ensure high positioning accuracy of the manipulators.
  • the combination of movements of the entire mechanism provides the necessary movement of the positioning system along the vertical plane of the lateral surface of the surgical table and returns the manipulators to the storage area.
  • the advantage of this design is to provide linear movements along the lateral surface of the surgical table, to implement the amount of movement required for positioning the manipulator, and to create a rigid frame by the structure to achieve high accuracy.
  • This arrangement of linear movements provides a large coverage of the operating field, while it has a more compact overall size of the entire mechanism positioning.
  • a camera is fixed for observing the operating field during the surgical operation.
  • the image of the operated area, broadcast by a stereoscopic camera, is available to the surgeon on the monitor of the imaging system.
  • a camera is broadly defined in this application as any device structurally configured to generate a stereo image when inserted into a patient's body.
  • An image of the operating field can be obtained optically using fiber optics, objectives and miniaturized imaging systems, for example, using a video endoscope (hereinafter referred to as an endoscope).
  • the camera is inserted into the body through an opening in the patient's body.
  • the entry point / plane is defined as the "zero point” since all movements of the instrument or camera in the patient's body are provided by two rotational degrees of freedom about this point and one linear degree of freedom.
  • a trocar is located at the “zero point” for additional fixation of instruments and a camera.
  • the camera has a field of view that depends on the characteristics of the camera lens. The camera transmits an image of only that part of the surgical field that fell into the field of view.
  • the camera's field of view can have an area configured to be visible to the camera at any given time.
  • the field of view moves with the camera, allowing you to visually inspect the operating area.
  • the change in the field of view also depends on the peculiarities of camera movement. In this case, the surgeon must be guaranteed unambiguity in understanding the movement of the camera and the associated movement / change of the field of view within the operating field.
  • the automatic control system (CNC system of the assisting surgical complex) is configured to compensate for camera movement, namely, to implement a method for controlling the movement of a chamber manipulator, which is part of a robotic surgical system to reduce the number of movements of a stereo camera that visualizes the surgical area in the operating field.
  • vectors R r , D r are transmitted to the automatic control system.
  • the vectors R L , D L are transmitted from the left controller of the surgeon to the automatic control system.
  • the camera control mode When you press the camera manipulator control pedal, the camera control mode is activated, the signal from the pedal is transmitted not only to the automatic control system, but also to the controllers that block the rotational degrees of freedom, and the R R and R L vectors are reset to zero:
  • the vectors obtained by the automatic control system are processed using the algorithm for differentiating and combining motion. Control is carried out using the relative movement of the controller from the moment the camera starts control, initialized by pressing the pedal. Thus, the flexibility of the control system is increased.
  • the camera is controlled by both controllers at the same time.
  • the resulting AD vector can be scaled, inverted, rotated around orthogonal axes, and composited with turns. Any of the listed mathematical operations can be performed using a cross product.
  • the scaling operation takes place in the scaling and integration unit.
  • the scaled increment of signals from the surgeon's controllers obtained at the previous stage is added to the current position of the camera manipulator in its local Cartesian coordinate system.
  • the in-plane motion compensation unit receives the calculated position of the camera manipulator in the local Cartesian coordinate system.
  • the obtained data is simultaneously transmitted to the manipulator movement control unit with a camera attached to it, for its movement inside the patient in order to display the operating field.
  • the manipulator with the camera carries out both translational movements to compensate for the movement of the camera and controllers, and rotation around its longitudinal axis to level the horizon line and the center line of the frame of the image obtained from the camera.
  • the actual data received from the controller are sequentially sent to the computing unit of derivatives for the right and left controllers, the increment of which is the total displacement.
  • this movement must be scaled taking into account the distance of the endoscope from the zero point.
  • the resulting increment is integrated with the position of the manipulator in its Cartesian coordinate system.
  • This compensated plane of motion is converted into the spherical coordinates of the manipulator f, q, R, on the basis of which, at the next stage, the compensation value of the horizon line R z comp is calculated.
  • the resulting data set (f, q, R, R z ° mp ) is transferred to the camera manipulator. Then the steps are repeated.
  • the proposed method for controlling the camera movement adds an intuitive interaction with the robotic surgical complex and increases the efficiency of the robotic surgical operation.
  • An experimental robotic surgery was performed on an animal - nephrectomy.
  • a video recording of the operator's workplace was carried out to track the position of the hands at various stages of the operation for subsequent analysis of the convenience of control and interaction.
  • Optimal seating of the operator-surgeon at the control console was carried out in such a way that the possibility of placing the hands in anatomically unnatural positions that lead to increased fatigue was excluded.
  • the design of the control controller allows movement and rotation along specified axes, while providing the maximum range of motion in the surgeon's working area.
  • the working area does not constrain the movements of the surgeon, the design features allow, if necessary, to use all the space limited in width by the span of the arms, in depth - by the length of the arms, in height - by the distance to the knees.
  • Ergonomically beneficial solutions such as maximum use of the space above the surgeon's knee and the absence of protruding structural elements to prevent possible collisions ensure comfortable handling, which is an important factor in long-term operations.
  • the implemented six degrees of freedom of the controller allow you to fully to realize the minimum necessary for carrying out a robotic surgery surgical actions - tissue capture, resection, suture.
  • the interaction of the surgeon with the controller during pig nephrectomy is shown in FIG. 14.
  • surgeon's working field was not limited by the controller's design - all the necessary movements and rotations were carried out with the maximum amplitude;

Landscapes

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

Abstract

The invention relates to medical technology. A complex comprises a patient console, an operator console, and a computer numerical control system. The patient console comprises a combined manipulator with a surgical instrument, a camera manipulator with a camera for viewing the surgical site, a system for positioning the manipulators, and means for calculating and evaluating forces acting on the surgical instrument. The operator console comprises an operator controller for controlling the movement of the surgical instrument, and a digital control unit. The means for calculating and evaluating forces comprise strain gauges, a sensor for detecting the strength with which the actuating surfaces of the instrument are gripped, and a surgical instrument torque sensor. The operator controller comprises a delta robot, and a strain gauge platform installed between a movable platform and a fixed support platform of the delta robot. A control handle for monitoring the movement of the operator's hand and the force exerted on the strain gauge platform and for converting same into a digital signal is attached to the movable platform. What is achieved is an increase in control accuracy, a more complete set of robotic surgery functions with controllable rotation of the camera at any permissible rotation angle and simultaneous correction of a coordinate system for the instruments and the controller taking account of said rotation.

Description

АССИСТИРУЮЩИЙ ХИРУРГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ASSISTING SURGICAL COMPLEX
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к механизмам - мехатронным комплексам, предназначенным для решения технологических задач с помощью инструментов, закрепленных в манипуляторы, управление которыми выполняется в ручном режиме с использованием цифрового контроллера оператора и/или в автоматическом режиме, когда управляющие команды задает система числового программного управления (ЧПУ). Мехатронный комплекс может быть применен в следующих областях: роботизация, телеоперация, минимальная инвазивная хирургия, тренажеры и других. Более конкретно, изобретение может относиться к области ассистирующих роботизированных хирургических комплексов для проведения минимально инвазивных хирургических операций и для симуляции таких хирургических операций в виртуальной среде. The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to mechanisms - mechatronic complexes designed to solve technological problems using tools fixed in manipulators, which are controlled in manual mode using a digital operator controller and / or in automatic mode, when control commands are set by the system numerical control (CNC). The mechatronic complex can be used in the following areas: robotization, teleoperation, minimal invasive surgery, simulators and others. More specifically, the invention may relate to the field of assisted robotic surgical systems for performing minimally invasive surgical procedures and for simulating such surgical procedures in a virtual environment.
Предпосылки создания изобретения Background of the invention
Возрастающие запросы к качеству хирургического лечения требуют существенного совершенствования хирургических технологий. Традиционные технологии хирургического лечения во многом исчерпали возможность быть усовершенствованными, и не могут решить поставленных задач. Это связано, прежде всего, с физиологическими возможностями человека/хирурга, ограниченной точностью перемещения его рук, тремором рук, ограниченностью остроты зрения, значительным размером рук, ограниченной скоростью рук и другими факторами. Требуется принципиально новая, способная преодолеть перечисленные ограничения и недостатки хирургическая технология, открывающая новые рубежи значительного совершенствования хирургии. Наиболее существенным параметром развития хирургии является показатель точности манипулирования хирургическим инструментом. Традиционно, когда инструмент удерживает хирург в руках, эта величина ограничивается величиной 0,1 мм. И это у лучших хирургов. Однако, предел/рубеж развития хирургии по этому параметру находится в диапазоне 0,01 мм, что соответствует размеру крупной клетки. Чем ближе к этой границе приблизится хирургическая технология, тем большим преимуществом она будет обладать, а именно, - позволит делать минимальным операционное поле, тем самым минимизировать травму тканей во время операции, сохранять нервные окончания, сшивать мелкие сосуды, полностью удалять мелкие, вплоть до размера клетки, новообразования и другое. The increasing demands for the quality of surgical treatment require a significant improvement in surgical technologies. Traditional technologies of surgical treatment have largely exhausted the possibility of being improved, and cannot solve the set tasks. This is primarily due to the physiological capabilities of the person / surgeon, limited accuracy of hand movement, hand tremor, limited visual acuity, significant hand size, limited hand speed and other factors. A fundamentally new surgical technology capable of overcoming the listed limitations and disadvantages is required, opening up new frontiers of significant improvement in surgery. The most important parameter in the development of surgery is the indicator of the accuracy of manipulating the surgical instrument. Traditionally, when the instrument is held by the surgeon, this value is limited to 0.1 mm. And this is with the best surgeons. However, the limit / milestone of the development of surgery for this parameter is in the range of 0.01 mm, which corresponds to the size of a large cell. The closer to this border the surgical technology approaches, the greater the advantage it will have, namely, it will allow minimizing the surgical field, thereby minimizing tissue trauma during the operation, preserving nerve endings, suturing small vessels, completely removing small ones, up to size cells, neoplasms and more.
Наиболее активно развивающейся на сегодня альтернативой традиционной хирургии является робо охирургия. Робо охирургия - инновационная, ранее недоступная хирургическая технология, во многом ставшая возможной благодаря развитию мехатроники и информационных технологий, доказавшая свою состоятельность в клиниках мира и обеспечивающая новую, качественную медицину. The most actively developing alternative to traditional surgery today is robo-surgery. Robo surgery is an innovative, previously inaccessible surgical technology, largely made possible by the development of mechatronics and information technologies, which has proven its worth in clinics around the world and provides new, high-quality medicine.
Использование в хирургии робота, а корректнее, ассистирующего мехатроннош комплекса, позволяет получить недоступные ранее врачу функциональные возможности и качество: возможность проникать к труднодоступным областям и оперировать их; более высокую точность и заданную скорость перемещения миниатюрных инструментов; отсутствие тремора; жесткость и другое. Робот- ассистированные операции имеют множество преимуществ перед традиционными операциями: например, они позволяют, в значительной мере, уменьшить объем интраоперационной кровопотери и сократить частоту гемотрансфузий. Процедуры такого рода менее травматичны, и поэтому в реабилитационном периоде болевой синдром у пациентов не столь выражен как при традиционном подходе. The use of a robot in surgery, or, more correctly, of an assisting mechatronics complex, makes it possible to obtain functional capabilities and quality that were previously unavailable to a doctor: the possibility penetrate and operate in hard-to-reach areas; higher accuracy and preset speed of movement of miniature tools; lack of tremor; rigidity and more. Robot-assisted surgeries have many advantages over traditional surgeries: for example, they can significantly reduce the volume of intraoperative blood loss and reduce the frequency of blood transfusions. Procedures of this kind are less traumatic, and therefore, in the rehabilitation period, the pain syndrome in patients is not as pronounced as with the traditional approach.
Традиционный роботохирургический комплекс реализует хирургическую технологию, при которой мини-инструмент, управляемый манипулятором, воздействует на операционное поле, будучи доставленным к нему через небольшие проколы в теле пациента. Возможность видеть операционное поле обеспечивает камера, которая транслирует сигнал на 3D монитор. Камера, как и инструмент, вводится через прокол и управляется отдельным манипулятором. Действия/команды инструментам и камере через манипуляторы задает контроллер оператора, управляемый руками хирурга. Рабочее место хирурга в составе двух контроллеров и 3D монитора находится на значительном расстоянии от хирургического стола. Это создает отличие и значительные преимущества в сравнении с традиционной лапароскопической операцией. Хирург оперирует сидя, в удобной позе, меньше утомляется и не теряет концентрацию. Также, в отличие от лапароскопии, перемещение управляющих движений рук хирурга может быть мультиплицировано при передаче на манипулятор и инструмент с коэффициентом больше и меньше 1. A traditional robotic surgical complex implements a surgical technology in which a mini-instrument controlled by a manipulator acts on the operating field, being delivered to it through small punctures in the patient's body. The ability to see the operating field is provided by a camera that transmits the signal to a 3D monitor. The camera, like the instrument, is inserted through the puncture and controlled by a separate manipulator. Actions / commands to the instruments and the camera through the manipulators are set by the operator's controller, controlled by the surgeon's hands. The surgeon's workplace, consisting of two controllers and a 3D monitor, is located at a considerable distance from the surgical table. This creates a difference and significant advantages over traditional laparoscopic surgery. The surgeon operates in a sitting position, in a comfortable posture, he is less tired and does not lose concentration. Also, in contrast to laparoscopy, the movement of the surgeon's control movements can be multiplied when transmitted to the manipulator and the instrument with a coefficient greater and less than 1.
Роботохирургия активно внедряется в клиники мира, прежде всего, благодаря роботу DA VINCI компании Intuitive Surgical Inc. Многие компании пытаются создать ему конкуренцию и также выйти на рынок. Robotic surgery is being actively implemented in clinics around the world, primarily thanks to the DA VINCI robot from Intuitive Surgical Inc. Many companies are trying to compete with him and also enter the market.
Например, хирургический робот, разработанный испанской компанией Tecnalia и университетом Малага, раскрыт в международной заявке WO2017220822 А1. Цель проекта - обеспечение больниц доступной роботизированной хирургией, которая предлагает высокую точность проведения операций, в диапазоне требований лапароскопии. Робот состоит из трех шестиосевых (шестистепенных) рук- манипуляторов, которые могут функционировать совместно или по отдельности, в соответствии с требованиями операции. Роботизированные манипуляторы были выбраны для этого проекта из-за их простой системы программирования, которая позволяет инженерам адаптировать свое программное обеспечение к конкретным потребностям хирургических операций. Каждая рука весит не более 18 килограмм, что позволяет легко устанавливать их на вертикальной опоре, которая была адаптирована для избежания необходимости в прокладке длинного кабеля и тем самым позволяющая свободные и беспрепятственные движения медицинских работников по всей операционной. Робот также включает в себя экран для 3D Vision, что позволяет хирургу расширить свое поле зрения для лучшего контроля работы пары джойстиков, которые имитируют инструменты лапароскопии. For example, a surgical robot developed by the Spanish company Tecnalia and the University of Malaga is disclosed in WO2017220822 A1. The goal of the project is to provide hospitals with affordable robotic surgery that offers high precision in the performance of operations within the range of laparoscopy requirements. The robot consists of three six-axis (six-degree) manipulator arms that can function together or separately, according to the requirements of the operation. Robotic arms were chosen for this project because of their simple programming system that allows engineers to tailor their software to the specific needs of surgical procedures. Each arm weighs no more than 18 kilograms, which makes it easy to mount them on a vertical support that has been adapted to avoid the need for long cables and thus allow free and unimpeded movement of healthcare workers throughout the operating room. The robot also includes a 3D Vision screen, which allows the surgeon to expand his field of view for better control of a pair of joysticks that mimic laparoscopic instruments.
При сопоставлении уже выполненных разработок и запатентованных технических решений важно определить, с каких позиций, и по каким параметрам выполнять такое сравнение. Независимо от типа или вида технической реализации, роботохирургические технологии имеют свои базовые, формирующие их особенности и преимущественные параметры/признаки. Ими являются: снятие тремора, точность перемещения инструмента, в том числе превосходящее традиционную лапароскопию, и функциональные возможности/особенности. Именно с позиций сопоставления этих параметров целесообразно выполнять анализ патентов роботохирургических комплексов. When comparing already completed developments and patented technical solutions, it is important to determine from what point of view, and by what parameters to make such a comparison. Regardless of the type or type of technical implementation, robotic surgical technologies have their own basic, their forming features and predominant parameters / signs. These are: tremor relief, instrument movement accuracy, which is superior to traditional laparoscopy, and functionality / features. It is from the standpoint of comparing these parameters that it is advisable to analyze patents of robotic surgical systems.
В юнце сентября 2019 года компания Medtronic представила роботизированную хирургическую платформу Hugo, которая много лет находится в процессе разработки. Компания обещает, что новый робот-хирург с модульной системой комплектации позволит снизить себестоимость многих операций и расширит область применения хирургической робототехники. Платформа модуля состоит из открытой консоли хирурга, системы визуализации и роботизированных манипуляторов с хирургическими инструментами. При этом система визуализации и многие инструменты, такие как хирургические степлеры, могут использоваться как в роботизированных, так и в лапароскопических процедурах, а различные компоненты могут обновляться по мере финансовых возможностей больницы. In early September 2019, Medtronic introduced the Hugo robotic surgical platform, which has been in development for many years. The company promises that the new robotic surgeon with a modular kitting system will reduce the cost of many operations and expand the scope of surgical robotics. The module platform consists of an open surgeon's console, an imaging system, and robotic manipulators with surgical instruments. At the same time, the imaging system and many instruments, such as surgical staplers, can be used in both robotic and laparoscopic procedures, and various components can be updated according to the financial capabilities of the hospital.
В середине ноября 2019 года робот-хирург компании Corindus, которую несколькими неделями ранее купила Siemens, провел первую нейрососудистую операцию. Процедуры выполнялись по беспроводной сети 5G, специально выделенным оптоволоконным соединениям и коммерческим сетям общего пользования, врачом, который находился в 3000 милях от пациентов. Сети обеспечивали соединение с малой задержкой и успешное проведение дистанционных процедур. Система CorPath GRX позволила врачу в реальном времени контролировать действия робота из удаленного местоположения. Полученные результаты позволят интервенционным кардиологам использовать роботизированные технологии для безопасного и эффективного дистанционного выполнения коронарных процедур в любой точке страны. Такой подход сократит время ожидания операции и расширит доступ к высококвалифицированной медицинской помощи. Данная технология раскрыта в международной заявке WO2019222641 A1. In mid-November 2019, a robotic surgeon from Corindus, which Siemens had bought a few weeks earlier, performed the first neurovascular surgery. The treatments were performed over 5G wireless, dedicated fiber optic connections, and commercial public networks by a physician 3,000 miles from the patients. The networks provided low latency connectivity and successful remote procedures. The CorPath GRX system allowed the physician to monitor the robot's actions in real time from a remote location. The findings will enable interventional cardiologists to use robotic technology to safely and effectively perform remote coronary procedures anywhere in the country. This approach will shorten the waiting time for surgery and expand access to highly qualified medical care. This technology is disclosed in international application WO2019222641 A1.
Анализ уже созданных, создаваемых или только патентуемых роботохирургических комплексов позволяет отметить как их инновационные отличия, так и обратить внимание на существенные недостатки и замечания. Известные из уровня техники решения не позволяют в одной конструкции роботохирургического комплекса решить следующую совокупность проблем: The analysis of already created, created or just patented robotic surgical systems allows us to note both their innovative differences and to draw attention to significant shortcomings and remarks. The solutions known from the prior art do not allow solving the following set of problems in one design of a robotic surgical complex:
1. Реализовать одно из важнейших преимущество роботохирургии - создать условия, позволяющие хирургическому инструменту во время операции перемещаться/позиционироваться относительно тканей операционного поля в диапазоне точности, превосходящем точность руки хирурга, особенно при автоматическом, без компенсирующих команд врача, управлении. 1. To realize one of the most important advantages of robotic surgery - to create conditions that allow the surgical instrument during the operation to move / position relative to the tissues of the operating field in the range of accuracy that exceeds the accuracy of the surgeon's hand, especially with automatic, without compensating doctor's commands, control.
2. Реализовать другое важнейшее преимущество роботохирургии - создать новые, ранее не существовавшие хирургические и технологические приемы, тем самым значительно обогатить и расширить функциональный арсенал хирурга. 2. To realize another major advantage of robotic surgery - to create new, previously non-existent surgical and technological methods, thereby significantly enriching and expanding the functional arsenal of the surgeon.
3. Обеспечить условия для автоматизированного и автоматического выполнения роботохирургических операций. 4. Обеспечить легкость перемещения контроллера для управления хирургическим роботом на всей амплитуде рук хирурга. 3. Provide conditions for automated and automated performance of robotic surgery. 4. Provide ease of movement of the controller to control the surgical robot over the entire range of the surgeon's arms.
5. Обеспечить преобразование команд от перемещения рук в отмасштабированные перемещения хирургического инструмента, при этом: масштаб не ограничен и зависит только от задач на операцию; масштабирование может происходить как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. 5. Ensure the transformation of commands from the movement of hands into scaled movements of the surgical instrument, while: the scale is not limited and depends only on the tasks for the operation; scaling can occur both upward and downward.
6. Сократить, по сравнению с традиционной роботохирургией, подготовительно- заключительное время операции. 6. To reduce, in comparison with traditional robotic surgery, the preparatory and final time of the operation.
Перечисленные проблемы понижают эффективность работы роботохирургического комплекса и не дают возможность в полной мере реализовать преимущества роботохирургических технологий. The listed problems reduce the efficiency of the robotic surgical complex and do not make it possible to fully realize the advantages of robotic surgical technologies.
Именно решению перечисленных проблем посвящена данная заявка. This application is dedicated to the solution of the listed problems.
Суть изобретения The essence of the invention
Техническая задача и достигаемый технический результат настоящего изобретения заключаются в создании ассистирующего хирургического комплекса, превосходящего по ключевым требованиям роботохирургии прототипы и аналоги на основе новой архитектуры, ставшей возможной благодаря новым свойствам ключевых блоков и новой структуре их взаимодействия, что обеспечивает: The technical problem and the achieved technical result of the present invention are to create an assisting surgical complex that surpasses prototypes and analogues in terms of key requirements of robotic surgery based on a new architecture, made possible by new properties of key blocks and a new structure of their interaction, which provides:
- возможность достичь значений точности, превосходящих возможности рук хирурга, без компенсирующих команд врача при управлении; - the ability to achieve accuracy values that exceed the capabilities of the surgeon's hands, without compensating doctor's commands during control;
- более полный набор роботохирургических функций, реализуемых комплексом, в том числе функций, выполняемых автоматизированно; - a more complete set of robotic-surgical functions implemented by the complex, including functions performed automatically;
- возможность получать на руку, удерживающую контроллер оператора, тактильные ощущения от тканей пациента при соприкосновении с ними инструмента во время операции; - the ability to receive on the hand holding the operator's controller, tactile sensations from the patient's tissues when the instrument comes into contact with them during the operation;
- удобство и легкость работы хирурга при управлении контроллером оператора на полной амплитуде движения рук для формирования команд, отмасштабированных (пропорционально увеличенных или уменьшенных по величине) перемещений инструмента, при этом масштаб не имеет ограничений; - Convenience and ease of the surgeon's work when controlling the operator's controller at the full amplitude of hand movements to form commands, scaled (proportionally increased or decreased in magnitude) tool movements, while the scale has no restrictions;
- автоматизированное и автоматическое движение инструмента и других элементов комплекса по заданной команде от системы числового программного управления (ЧПУ); - automated and automatic movement of the tool and other elements of the complex at a given command from the numerical control system (CNC);
- возможность управляемого поворота камеры во время проведения операции на любой допустимый угол поворота с одновременной коррекцией с учетом этого поворота системы координат инструментов и контроллера; - the possibility of controlled rotation of the camera during the operation to any permissible angle of rotation with simultaneous correction taking into account this rotation of the coordinate system of the instruments and the controller;
- значительное сокращение подготовительно-заключительного времени операции. - a significant reduction in the preparatory and final time of the operation.
При этом разрабатываемый ассистирующий хирургический комплекс должен быть также универсальным и адаптироваться/локализоваться к различным видам хирургического вмешательства. С целью решения поставленных задач был разработан ассистирующий хирургический комплекс, подробно описанный ниже. At the same time, the developed assisting surgical complex should also be universal and adapt / localize to various types of surgical intervention. In order to solve the set tasks, an assisting surgical complex was developed, which is described in detail below.
Ассистирующий хирургический комплекс для выполнения высокоточных малоинвазивных хирургических операций содержит исполнительную консоль пациента, которая включает по меньшей мере один комбинированный манипулятор с установленным на нем хирургическим инструментом для выполнения хирургической операции, по меньшей мере один манипулятор камеры с закрепленной на нем камерой для обзора операционного поля, обеспечивающий ее перемещение по трем поступательным степеням свободы; систему позиционирования по меньшей мере одного манипулятора, закрепленную на по меньшей мере одной продольной стороне хирургического стола и сконфигурированную для хранения по меньшей мере одного манипулятора под хирургическим столом в нерабочем положении и автоматического независимого выдвижения и перемещения каждого из манипуляторов в заданной области операционной зоны в рабочем положении, средства для вычисления и оценки сил, действующих на дистальном конце хирургического инструмента, и сил, действующие на другие рабочие части хирургического инструмента, входную консоль оператора, которая включает: по меньшей мере один контроллер оператора для управления движением хирургического инструмента, установленного на указанном комбинированном манипуляторе, сконфигурированный для обеспечения независимых семи степеней свободы при возникновении соответствующих управляющих усилий и/или движений со стороны руки оператора для поворота и/или перемещения контроллера рукой оператора, при этом контроллер оператора выполнен с возможностью переключения в режим управления камерой с помощью педали управления; и цифровой блок управления контроллером оператора, который по каждой степени подвижности контроллера оператора формирует сигнал движения руки оператора и преобразует его в управляющий сигнал для последующего управления комбинированным манипулятором и/или хирургическим инструментом и/или манипулятором камеры, систему числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса, связанную с по меньшей мере одним комбинированным манипулятором, манипулятором камеры, со средствами вычисления и оценки сил, с системой позиционирования манипуляторами, с цифровым блоком управления контроллером, выполненную с возможностью одновременного и независимого управления всеми элементами комплекса в целом, для формирования управляющих сигналов, характеризующих силовое воздействие по каждой степени подвижности хирургического инструмента и/или воздействие, рассчитанное на основе заданной модели, и передачи этих сигналов в цифровой блок управления контроллером оператора для их преобразования в механические движения элементов контроллера оператора, причем комбинированный манипулятор включает механизм, снабженный приводными элементами и выполненный в виде соединенных между собой посредством трех штанг неподвижной опорной платформы и подвижной платформы, подвижная платформа механизма выполнена с возможностью размещения на ней хирургического инструмента, и портальный механизм, выполненный в виде модуля поперечного перемещения и модуля продольного перемещения, каждый из которых снабжен блоком приводов, при этом приводные элементы и блоки приводов выполнены с возможностью передачи и/или получения данных от системы числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса, при этом механизм установлен на модуле поперечного перемещения с возможностью перемещения по нему в поперечном направлении, а модуль поперечного перемещения установлен на модуле продольного перемещения с возможностью перемещения по нему в продольном направлении; причем все элементы системы позиционирования оснащены сервоприводами и контроллерами, выполненными с возможностью приема и передачи управляющих команд от системы числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса для выполнения элементами системы согласованных движений, причем средства для вычисления и оценки сил включают трехосевой нижний тензометрический датчик, расположенный на опоре манипулятора в месте закрепления троакара и находящийся в непосредственном контакте с ним, для измерения сил, приложенных к инструменту и направленных вдоль осей х н у, трехосевой верхний тензометрический датчик, расположенный на опоре манипулятора под приводом хирургического инструмента, для измерения силы, приложенной к инструменту и направленной вдоль оси z, датчик усилия захвата исполнительных поверхностей инструмента, выполненный в виде датчика силы тока для электродвигателя привода инструмента, обеспечивающего сжатие исполнительных поверхностей инструмента, датчик момента вращения хирургического инструмента, выполненный в виде датчика силы тока для электродвигателя привода инструмента, обеспечивающего вращение хирургического инструмента вокруг его продольной оси, причем тензометрические датчики соединены с соответствующими модулями цифровой обработки данных, а датчик усилия захвата и датчик момента вращения соединены с соответствующими системами управления электродвигателем, модули цифровой обработки и системы управления электродвигателями соединены с модулем обработки, который запрограммирован для осуществления вычисления посредством групповой обработки и синхронизации сигналов от тензометрических датчиков, датчика момента вращения и датчика усилия захвата: сил, направленных вдоль линейных осей, вращательных моментов инструмента вдоль осей х и у относительно точки ввода троакара в тело пациента, вращательного момента инструмента вдоль оси z относительно точки ввода троакара в тело пациента, усилия сжатия исполнительных поверхностей инструмента, модуль обработки выполнен с возможностью передачи данных на систему числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса, причем контроллер оператора включает дельта-робот, приводимый в движение с помощью приводного механизма, каждое звено которого выполнено в виде кривошипно -шатунного механизма, приводимого в движение сервоприводом с шарико-винтовой передачей; тензоплатформу, установленную между подвижной платформой и неподвижной опорной платформой дельта-робота, причем на тензоплатформе расположены сопряженные с каждой шарико-винтовой передачей тензодатчики; при этом к подвижной платформе прикреплена управляющая ручка с возможностью ее охвата кистью руки оператора и сконфигурированная для контроля и преобразования в цифровой сигнал движения руки оператора по меньшей мере по трем вращательным степеням свободы и силового воздействия на тензоплатформу по трем линейным степеням свободы, при этом формирующийся на тензодатчиках сигнал передаётся на цифровой блок управления контроллером, который рассчитывает и передает на сервопривод соответствующего звена приводного механизма команды компенсации веса и/или перемещения по планируемой траектории, рассчитанной на основе полученных данных, причем система числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса выполнена с возможностью компенсации движения при управлении движением камеры. An assisting surgical complex for performing high-precision minimally invasive surgical operations contains an executive console for a patient, which includes at least one combined manipulator with a surgical instrument installed on it for performing a surgical operation, at least one manipulator of a camera with a camera attached to it for viewing the operating field, providing its movement along three translational degrees of freedom; a positioning system for at least one manipulator, fixed on at least one longitudinal side of the surgical table and configured to store at least one manipulator under the surgical table in a non-working position and automatically independently extend and move each of the manipulators in a predetermined area of the operating area in a working position , means for calculating and evaluating the forces acting on the distal end of the surgical instrument and the forces acting on other working parts of the surgical instrument, an operator input console, which includes: at least one operator controller for controlling the movement of the surgical instrument mounted on the specified combined manipulator configured to provide independent seven degrees of freedom when appropriate control forces and / or movements from the operator's hand occur to rotate and / or move the controller by the operator's hand, while counter the operator's oller is configured to switch to the camera control mode using the control pedal; and a digital control unit for the operator's controller, which for each degree of the operator's controller's mobility generates a signal of the operator's hand movement and converts it into a control signal for subsequent control of the combined manipulator and / or the surgical instrument and / or the camera manipulator, the numerical program control system of the assisting surgical complex, connected with at least one combined manipulator, camera manipulator, with means for calculating and evaluating forces, with a positioning system for manipulators, with a digital controller control unit, made with the possibility of simultaneous and independent control of all elements of the complex as a whole, to generate control signals characterizing the force effect for each degree of mobility of the surgical instrument and / or the impact calculated on the basis of a given model, and transmission of these signals to the digital control unit of the operator's controller for converting them into mechanical movements of the elements of the operator's controller, and the combined manipulator includes a mechanism equipped with drive elements and made in the form of a fixed support platform and a movable platform connected to each other by means of three rods, the movable platform of the mechanism is made with the possibility of placing a surgical instrument on it, and a portal a mechanism made in the form of a transverse movement module and a longitudinal movement module, each of which is equipped with a drive unit, while the drive elements and drive units are configured to transmit and / or receive data from the numerical control system of the assisting surgical complex, while the mechanism is installed on the transverse movement module with the ability to move along it in the transverse direction, and the transverse movement module is installed on the longitudinal movement module with the ability to move along it in the longitudinal direction; moreover, all elements of the positioning system are equipped with servo drives and controllers capable of receiving and transmitting control commands from the numerical control system of the assisting surgical complex to perform the elements of the system of coordinated movements, and the means for calculating and evaluating forces include a three-axis lower strain gauge located on the manipulator support in the place of fixation of the trocar and in direct contact with it, to measure the forces applied to the instrument and directed along the xn y axes; a three-axis upper strain gauge sensor located on the manipulator support under the drive of the surgical instrument to measure the force applied to the instrument and directed along the z axis, the sensor of the gripping force of the actuating surfaces of the tool, made in the form of a current sensor for the electric motor of the drive of the tool, which provides compression of the actuating surfaces of the tool, the torque sensor vr a surgical instrument, made in the form of a current sensor for the electric motor of the instrument drive, which ensures the rotation of the surgical instrument around its longitudinal axis, and the strain gauges are connected to the corresponding digital data processing modules, and the gripping force sensor and the torque sensor are connected to the corresponding motor control systems, digital processing modules and electric motor control systems are connected to a processing module, which is programmed to perform calculations by means of group processing and synchronization of signals from strain gauges, a torque sensor and a gripping force sensor: forces directed along linear axes, tool torques along the x and y axes relative to the point of insertion of the trocar into the patient's body, the torque of the instrument along the z-axis relative to the point of insertion of the trocar into the patient's body, the compressive force of the executive surfaces of the instrument, the modulus of work is designed to transmit data to the numerical control system of the assisting surgical complex, and the operator controller includes a delta robot driven by a drive mechanism, each link of which is made in the form of a crank-connecting rod a mechanism driven by a ball screw servo drive; strain gauge platform installed between the movable platform and the fixed support platform of the delta robot, and strain gauges coupled to each ball screw are located on the strain gauge; at the same time, a control handle is attached to the movable platform with the possibility of covering it by the operator's hand and configured to control and convert into a digital signal of the operator's hand movement along at least three rotational degrees of freedom and force action on the strain-gauge platform along three linear degrees of freedom, while forming on strain gauges, the signal is transmitted to the digital control unit of the controller, which calculates and transmits to the servo drive of the corresponding link of the drive mechanism commands to compensate for the weight and / or movement along the planned trajectory calculated on the basis of the data obtained, and the numerical control system of the assisting surgical complex is made with the possibility of compensating for movement when camera movement control.
В некоторых вариантах осуществления изобретения управляющая ручка контроллера оператора включает контроллер запястья, обеспечивающий две вращательные степени свободы в ортогональных плоскостях, и контроллер кисти, обеспечивающий две другие вращательные степени свободы. In some embodiments, the operator controller control handle includes a wrist controller providing two rotational degrees of freedom in orthogonal planes and a hand controller providing two other rotational degrees of freedom.
В некоторых вариантах осуществления изобретения контроллер кисти оснащен рукояткой и пальцевыми схватами. In some embodiments, the hand controller is equipped with a grip and finger grips.
В некоторых вариантах осуществления изобретения внутри рукоятки контроллера кисти установлен по меньшей мере один приводной элемент и датчик поворота. In some embodiments of the invention, at least one actuator and a rotation sensor are mounted within the handle of the hand controller.
В некоторых вариантах осуществления изобретения контроллер запястья оснащен, по меньшей мере, одним приводным элементом и датчиком поворота. In some embodiments, the wrist controller is equipped with at least one actuator and a rotation sensor.
В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере один манипулятор в нерабочем положении находится под хирургическим столом в части для расположения ног. In some embodiments of the invention, at least one manipulator in an inoperative position is located under the surgical table in the leg position.
Теоретические обоснования подтверждающие достижение поставленных технической задачи и технического результата при использовании ассистирующего хирургического комплекса. Theoretical substantiation confirming the achievement of the set technical task and technical result when using an assisting surgical complex.
Одним из главных и безусловно востребованных преимуществ роботохирургии являются значительные, недоступные при прежних техниках выполнения операций (открытая или лапароскопическая), технологические возможности инструмента для выполнения операции. Наиболее значимыми, сущностными для роботохирургии технологическими возможностями являются: перемещения по семи (три поворота, три линейных перемещения и одно открытие браншей) и более осям исполнительных поверхностей хирургического инструмента во время операции; перемещение хирургического инструмента, при необходимости, во время операции с точностью, превосходящей предельно допустимую точность руки хирурга. В последний показатель входит как непосредственно точность перемещения удерживающей инструмент руки хирурга, так и косвенное воздействие на этот показатель из-за наличия тремора руки. One of the main and undoubtedly demanded advantages of robotic surgery is the significant, inaccessible with the previous techniques of performing operations (open or laparoscopic), technological capabilities of the instrument for performing the operation. The most significant technological capabilities essential for robotic surgery are: movements along seven (three rotations, three linear movements and one opening of the branches) and more axes of the executive surfaces of the surgical instrument during the operation; moving the surgical instrument, if necessary, during the operation with an accuracy exceeding the maximum permissible accuracy of the surgeon's hand. The last indicator includes both the accuracy of the movement of the surgeon's hand holding the instrument and the indirect effect on this indicator due to the presence of hand tremor.
Современная роботохирургия имеет два выраженных направления развития: Modern robotic surgery has two distinct directions of development:
По роботохирургическому типу движения хирургического инструмента - семь осей перемещения исполнительных поверхностей инструмента. По лапароскопическому типу движения хирургического инструмента - четыре (три линейных перемещения и одно открытие браншей) оси перемещения исполнительных поверхностей инструмента. According to the robotic-surgical type of movement of the surgical instrument, there are seven axes of movement of the executive surfaces of the instrument. According to the laparoscopic type of movement of the surgical instrument, there are four (three linear movements and one opening of the jaws) axes of movement of the executive surfaces of the instrument.
Для вышедших или выходящих на рынок хирургических роботов заявляемая (паспортная) точность перемещения инструмента уступает точности перемещения руки хирурга. Этот факт значительно сокращает функционал таких роботов и не позволяет раскрыть возможности роботохирургии в полной мере. For surgical robots that have entered or are entering the market, the declared (passport) accuracy of the instrument movement is inferior to the accuracy of the movement of the surgeon's hand. This fact significantly reduces the functionality of such robots and does not allow the full potential of robotic surgery to be revealed.
Такая ситуация имеет общую тенденцию по всем роботам, разрабатываемым как функциональный конкурент робота Da Vinci. Основная причина такой ситуации связана со сложностью конструкции роботохирургичсеких комплексов, имеющих значительное количество звеньев/элементов, влияющих на точность. Преодолеть этот барьер возможно только принципиально изменив архитектуру хирургического робота. Новая архитектура должна содержать как новый структуру (архитектуру) и состав мехатронных блоков и элементов и механических связей между ними, так и новую, полностью цифровую архитектуру управления роботохирургическим комплексом. This situation has a general tendency for all robots being developed as a functional competitor to the Da Vinci robot. The main reason for this situation is associated with the complexity of the design of robotic surgical systems, which have a significant number of links / elements that affect the accuracy. To overcome this barrier is possible only by fundamentally changing the architecture of the surgical robot. The new architecture should contain both a new structure (architecture) and the composition of mechatronic blocks and elements and mechanical connections between them, as well as a new, completely digital architecture for controlling the robotic surgical complex.
Данная заявка имеет целью предложить новую архитектуру ассистирующего комплекса, потенциально способную, при необходимости у хирурга, преодолеть точностный барьер и снять ограничения развития роботохирургии. This application aims to propose a new architecture of the assisting complex, potentially capable, if necessary by the surgeon, to overcome the accuracy barrier and remove the limitations of the development of robotic surgery.
Поставленные задача и технический результат достигаются благодаря тому, что в комплексе в качестве модульных элементов используются новые, разработанные под задачи роботохирургии, блоки, составляющие ассистирующий хирургический комплекс, а также более совершенные архитектуры их механических и информационных связей, при этом информационное взаимодействие всех элементов комплекса полностью цифровое, в единой цифровой среде. The task and the technical result are achieved due to the fact that the complex uses as modular elements new, developed for the tasks of robotic surgery, blocks that make up the assisting surgical complex, as well as more advanced architectures of their mechanical and information connections, while the information interaction of all elements of the complex is completely digital, in a single digital environment.
1. Достижение значений точности, превосходящей возможности рук хирурга, обеспечивается как результат сочетания свойств и особенностей блоков хирургического комплекса, взаимодействующих во время работы. При этом отдельными блоками, свойства и особенности которых создают условия для решения поставленной задачи, являются: 1. Achievement of accuracy values that exceed the capabilities of the surgeon's hands is ensured as a result of a combination of properties and features of the blocks of the surgical complex interacting during operation. In this case, the individual blocks, the properties and features of which create conditions for solving the problem, are:
А. Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, влияющий на достижение поставленной задачи повышенными характеристиками жесткости конструкции и динамической точности за счет выполнения конструкции манипулятора в виде двухкомпонентного пространственного механизма, который представляет собой усовершенствованный трипод в сочетании с портальным механизмом его линейных перемещений над рабочей областью. Такая кинематическая схема позволяет обеспечить достаточную подвижность хирургического инструмента и угол поворота хирургического инструмента. A. Combined manipulator of the assisting surgical complex, influencing the achievement of the task by increased structural rigidity and dynamic accuracy due to the design of the manipulator in the form of a two-component spatial mechanism, which is an improved tripod in combination with portal mechanism of its linear movements over the working area. Such a kinematic scheme allows to ensure sufficient mobility of the surgical instrument and the angle of rotation of the surgical instrument.
B. Контроллер оператора ассистирующего хирургического комплекса, влияющий на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата повышенной точностью определения положения рук оператора/хирурга во всем возможном диапазоне их перемещения за счет использования в конструкции контроллера оператора механизма дельта - робота, тензоплатформы, расположенной между подвижной и неподвижной площадками механизма дельта-робота и цифрового блока управления контроллером. B. Controller of the operator of the assisting surgical complex, influencing the achievement of the task and the set technical result with an increased accuracy of determining the position of the operator's / surgeon's hands in the entire possible range of their movement due to the use of a delta-robot mechanism in the operator's controller design, a strain-gauge platform located between a movable and a stationary platforms of the delta-robot mechanism and the digital control unit of the controller.
C. Система позиционирования манипулятора ассистирующего хирургического комплекса, влияющая на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата благодаря жесткости конструкции и возможности крепления манипулятора непосредственно на операционный стол к стандартным точкам присоединения дополнительного оборудования, что обеспечивает минимальное количество звеньев/элементов, погрешность которых влияет на точность перемещения инструмента. C. The positioning system of the manipulator of the assisting surgical complex, influencing the achievement of the task and the set technical result due to the rigidity of the structure and the possibility of attaching the manipulator directly to the operating table to the standard attachment points of additional equipment, which provides a minimum number of links / elements, the error of which affects the accuracy of movement tool.
D. Система числовая программного управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, влияющая на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата благодаря контролю, коррекции и компенсации положения инструмента при его перемещении и отклонении от нужного положения, задаваемого хирургом. Система ЧПУ обеспечивает преобразование координат каждого элемента контроллера оператора при его управлении хирургом в координаты исполнительного устройства, в качестве которого выступает манипулятор с закрепленным в него хирургическим инструментом и /или непосредственно сам хирургический инструмент. Также система ЧПУ осуществляет формирование сигналов управления приводами по каждой степени подвижности исполнительного устройства таким образом, чтобы его движение соответствовало направлению, в котором оператор-хирург воздействовал на механизм управляющего контроллера, и оно было для него интуитивно понятно. D. The numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, influencing the achievement of the set task and the set technical result due to the control, correction and compensation of the position of the instrument during its movement and deviation from the desired position set by the surgeon. The CNC system provides the transformation of the coordinates of each element of the operator's controller when it is controlled by the surgeon into the coordinates of the executive device, which is a manipulator with a surgical instrument attached to it and / or the surgical instrument itself. Also, the CNC system generates drive control signals for each degree of mobility of the actuator in such a way that its movement corresponds to the direction in which the operator-surgeon acted on the mechanism of the control controller, and it was intuitive for him.
E. Система оценки усилий на роботохирургическом инструменте ассистирующего хирургического комплекса, влияющая на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата благодаря выявлению природы, направления и величины сил, воздействующих на хирургический инструмент во время работы (во время проведения хирургической операции) на основании измерения величины перемещения инструмента в зоне используемых многоосевых тензометрических датчиков, один из которых расположен на опоре манипулятора под приводом хирургического инструмента, а другой - в месте закрепления троакара, и каждый из которых соединен с модулем цифровой обработки поступающих данных. E. The system for assessing the efforts on the robotic surgical instrument of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the set task and the set technical result due to the identification of the nature, direction and magnitude of the forces acting on the surgical instrument during operation (during the surgical operation) based on the measurement of the amount of movement of the instrument in the area of the used multi-axis strain gauge sensors, one of which is located on the manipulator support under the drive of the surgical instrument, and the other is located at the place where the trocar is attached, and each of which is connected to the digital processing module of the incoming data.
2. Достижение более полного набора роботохирургических функций, реализуемых предлагаемым хирургическим комплексом, в том числе функций, выполняемых автоматизировано, обеспечивается как результат сочетания свойств и особенностей блоков комплекса взаимодействующих во время работы. При этом свойствами и особенностями отдельных блоков, которые создают условия для решения поставленной задачи и поставленного технического результата, являются: 2. Achievement of a more complete set of robotic surgical functions implemented by the proposed surgical complex, including functions performed automatically, is ensured as a result of a combination of properties and features of the blocks of the complex interacting in working hours. At the same time, the properties and features of individual blocks that create conditions for solving the task and the technical result are:
A. Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, влияющий на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата тем, что конструкция его спроектирована из возможности наиболее полно реализовать роботохирургические технологии, при этом блок является полностью мехатронным и цифровым и имеет контур как прямой, так и обратной связи. A. The combined manipulator of the assisting surgical complex, influencing the achievement of the set task and the set technical result by the fact that its design is designed for the most complete implementation of robotic surgical technologies, while the unit is completely mechatronic and digital and has both direct and feedback circuits.
B. Контроллер оператора ассистирующего хирургического комплекса, влияющий на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата тем, что конструкция его спроектирована из возможности наиболее полно реализовывать роботохирургические технологии, при этом блок является полностью мехатронным и цифровым и имеет контур как прямой, так и обратной связи. B. The controller of the operator of the assisting surgical complex, influencing the achievement of the task and the set technical result by the fact that its design is designed for the most complete implementation of robotic surgical technologies, while the unit is completely mechatronic and digital and has both direct and feedback circuits.
C. Система позиционирования манипулятора ассистирующего хирургического комплекса, влияющая на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата тем, что обладает свойствами позиционировать манипуляторы в различные, необходимые для выполнения роботических операций позиции, при этом являясь полностью мехатронной и цифровой и имеет контур как прямой, так и обратной связи. C. The positioning system of the manipulator of the assisting surgical complex, influencing the achievement of the task and the set technical result in that it has the properties to position the manipulators in various positions necessary for performing robotic operations, while being completely mechatronic and digital and has a contour of both straight and feedback.
D. Система числового программного управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, влияющая на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата тем, что обеспечивает полностью цифровое управление как отдельных блоков и узлов, так и комплекса в целом. D. The numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, influencing the achievement of the set task and the set technical result by ensuring fully digital control of both individual blocks and units, and the complex as a whole.
3. Достижение возможности получать на руку хирурга, удерживающую контроллер, тактильные ощущения от тканей пациента при соприкосновении с ними инструмента во время операции, обеспечивается как результат сочетания свойств и особенностей блоков комплекса, взаимодействующих во время работы. При этом свойствами и особенностями отдельных блоков, которые создают условия для решения поставленной задачи, являются: 3. Achievement of the ability to receive on the hand of the surgeon holding the controller, tactile sensations from the patient's tissues when the instrument comes into contact with them during the operation, is ensured as a result of a combination of properties and features of the blocks of the complex interacting during operation. At the same time, the properties and features of individual blocks, which create conditions for solving the task at hand, are:
A. Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата тем, что является полностью мехатронным и цифровым и имеет контур как прямой, так и обратной связи. A. Combined manipulator of the assisting surgical complex, which influences the achievement of the set task and the set technical result in that it is completely mechatronic and digital and has both direct and feedback circuits.
B. Контроллер оператора ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение постеленной задачи и поставленного технического результата тем, что является полностью мехатронным и цифровыми, и имеет контур как прямой, так и обратной связи. B. The controller of the operator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the bed task and the set technical result by being completely mechatronic and digital, and has both a direct and a feedback loop.
C. Система числового программного система управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, которая влияет на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата тем, что обеспечивает полностью цифровое управление контроллером оператора, манипулятором и системой оценки усилия на инструменте, отдельно по каждому блоку и при их взаимодействии. C. The system of numerical software control system (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the set task and the set technical result by providing fully digital control of the operator's controller, manipulator and the system for assessing the force on the instrument, separately for each unit and during their interaction ...
D. Система оценки усилия на роботохирургическом инструмента, которая влияет на достижение поставленной задачи и поставленного технического результата благодаря оценке усилий на инструменте и повышению достоверности выявления их источников, а также благодаря наличию в конструкции следующих свойств: возможностью оценки сил, действующих на хирургический инструмент роботизированной хирургической системы, приложенных к любой части его конструкции; возможности однозначно определять направление и численное значение приложенной к хирургическому инструментуD. The system for evaluating the effort on a robotic surgical instrument, which affects the achievement of the set task and the set technical result due to the evaluation of efforts on a tool and increasing the reliability of identifying their sources, as well as due to the presence of the following properties in the structure: the ability to assess the forces acting on a surgical instrument of a robotic surgical system applied to any part of its structure; the ability to unambiguously determine the direction and numerical value attached to the surgical instrument
5 силы; возможностью бесперебойной работы системы оценки сил в условиях использования электрокоагуляции хирургическим инструментом; возможностью измерения силы захвата, возникающей при смыкании браншей хирургического инструмента; обеспечению возможности передачи данных об измеренных силах на внешние системы управления роботохирургическим комплексом; устойчивостью к электромагнитным помехам от бытовой сети; возможностью использования измерительных датчиков5 strength; the possibility of uninterrupted operation of the force assessment system in the conditions of using electrocoagulation with a surgical instrument; the ability to measure the gripping force that occurs when the jaws of a surgical instrument are closed; ensuring the possibility of transmitting data on measured forces to external control systems of the robotic-surgical complex; resistance to electromagnetic interference from a household network; the possibility of using measuring sensors
10 различного типа и принципа действия для разных степеней свободы. 10 different types and operating principles for different degrees of freedom.
4. Достижение удобства и легкости работы хирурга при управлении контроллером на полной амплитуде движения рук для формирования команд отмасштабированных (пропорционально увеличенных или уменьшенных по величине) перемещений инструмента при масштабе, не имеющем4. Achieving the convenience and ease of the surgeon's work when controlling the controller at the full amplitude of hand movements to generate commands for scaled (proportionally increased or decreased in magnitude) tool movements at a scale that does not have
15 ограничений, обеспечивается как результат сочетания свойств и особенностей блоков комплекса, взаимодействующих во время работы. При этом свойствами и особенностями отдельных блоков, которые создают условия для решения поставленной задачи, являются: 15 restrictions are provided as a result of a combination of properties and features of the blocks of the complex interacting during operation. At the same time, the properties and features of individual blocks, which create conditions for solving the task at hand, are:
A. Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи повышенными характеристиками жесткости конструкции и ееA. Combined manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by increased characteristics of the rigidity of the structure and its
20 динамической точности. 20 dynamic precision.
B. Контроллер оператора ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи полностью цифровой мехатронной реализованной конструкцией, позволяющей осуществлять взаимодействие оператора/хирурга посредством руки, в любом диапозоне их перемещеия, с хирургическим комплексом и непосредственно с входящим в составB. Controller of the operator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the set task by a fully digital mechatronic implemented design that allows the operator / surgeon to interact with the hand, in any range of their movement, with the surgical complex and directly with the component
25 комплекса манипулятором, как задавая ему команду, так и получая обратные реакции в ответ. 25 complex manipulator, both giving him a command and receiving feedback in response.
C. Система числового программного управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, которая влияет на достижение поставленной задачи благодаря полностью цифровой системе управления и алгоритму расчета движения манипулятора, преобразование его в команды для манипулятора. C. Numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task due to a completely digital control system and an algorithm for calculating the movement of the manipulator, converting it into commands for the manipulator.
ВО IN
5. Достижение значительного сокращения подготовительно-заключительного времени операции обеспечивается как результат сочетания свойств и особенностей блоков комплекса, взаимодействующих во время работы. При этом свойствами и особенностями отдельных блоков, которые создают условия для решения поставленной задачи, являются: 5. Achieving a significant reduction in the preparatory and final operation time is ensured as a result of a combination of properties and features of the complex blocks interacting during operation. At the same time, the properties and features of individual blocks, which create conditions for solving the task at hand, are:
35 А. Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи тем, что является компактным, имеет малый вес, полностью мехатронным и цифровым. B. Система позиционирования манипуляторов ассистирующего хирургического комплекса, которая влияет на достижение поставленной задачи благодаря жесткости крепления манипуляторов при одновременном увеличении возможных положений манипуляторов относительно пациента и повышении скорости и снижении времени переведения манипуляторов в рабочее положение (рабочую зону) и обратно в зону хранения, расположенную под ножной частью столешницы операционного стола таким образом, чтобы сохранить традиционные функциональные возможности стола, что позволяет быстро прервать роботохирургическую операцию и продолжить ее в режиме полостной операции. 35 A. The combined manipulator of the assisting surgical complex, which influences the achievement of the assigned task by being compact, lightweight, fully mechatronic and digital. B. Positioning system of manipulators of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task due to the rigidity of attachment of the manipulators while simultaneously increasing the possible positions of the manipulators relative to the patient and increasing the speed and reducing the time for moving the manipulators to the working position (working area) and back to the storage area located under leg part of the tabletop of the operating table in such a way as to preserve the traditional functionality of the table, which allows you to quickly interrupt the robotic surgery and continue it in the abdominal operation mode.
C. Система числового программного управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, которая влияет на достижение поставленной задачи тем, что обеспечивает полностью цифровое управление системой позиционирования манипулятора и комбинированным манипулятором, как отдельными блоками, так и их совместной работой. C. Numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by providing fully digital control of the positioning system of the manipulator and the combined manipulator, both as separate units and their joint work.
6. Достижение автоматизированного и автоматического движения инструмента и других элементов комплекса по заданной команде от системы числового программного управления (ЧПУ) обеспечивается как результат сочетания свойств и особенностей блоков комплекса, взаимодействующих во время работы. При этом свойствами и особенностями отдельных блоков, которые создают условия для решения поставленной задачи, являются: 6. Achievement of automated and automatic movement of the tool and other elements of the complex at a given command from the numerical control system (CNC) is ensured as a result of a combination of properties and features of the blocks of the complex interacting during operation. At the same time, the properties and features of individual blocks, which create conditions for solving the task at hand, are:
A. Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи тем, что является полностью мехатронным и цифровым A. Combined manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by being fully mechatronic and digital
B. Контроллер оператора ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи полностью цифровой мехатронной реализованной конструкцией. B. The controller of the operator of the assisting surgical complex, which influences the achievement of the assigned task by a fully digital mechatronic implemented design.
C. Система позиционирования манипулятора ассистирующего хирургического комплекса, которая влияет на достижение поставленной задачи тем, что является полностью мехатронной и цифровой. C. The positioning system of the manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by being completely mechatronic and digital.
D. Система числового программного управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, которая влияет на достижение поставленной задачи благодаря полностью цифровой системе управления манипулятором, контроллером оператора и системой позиционирования комплекса. D. Numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task due to a fully digital control system for the manipulator, operator controller and positioning system of the complex.
7. Достижение возможности управляемого поворота камеры во время проведения операции на любой допустимый угол поворота с одновременной коррекцией с учетом этого поворота системы координат инструментов и контроллера обеспечивается как результат сочетания свойств и особенностей блоков комплекса, взаимодействующих во время работы. При этом свойствами и особенностями отдельных блоков, которые создают условия для решения поставленной задачи, являются: A. Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи тем, что является полностью мехатронным и цифровым 7. Achievement of the possibility of controlled rotation of the camera during the operation at any permissible angle of rotation with simultaneous correction taking into account this rotation of the coordinate system of the instruments and the controller is provided as a result of a combination of properties and features of the blocks of the complex interacting during operation. At the same time, the properties and features of individual blocks, which create conditions for solving the task at hand, are: A. Combined manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by being fully mechatronic and digital
B. Контроллер оператора ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи тем, что является полностью цифровой мехатронной реализованной конструкцией. B. The controller of the operator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by being a fully digital mechatronic implemented design.
C. Система компенсации камерой ассистирующего хирургического комплекса, которая влияет на достижение поставленной задачи тем, что является полностью мехатронной и цифровой и имеет специальный блок расетов и управления. C. The system of compensation by the camera of the assisting surgical complex, which influences the achievement of the set task in that it is completely mechatronic and digital and has a special unit for setting and controlling.
Объекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны специалистам после рассмотрения следующего подробного описания и чертежей. 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
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 его осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения. 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 embodiments thereof, serve to explain the principles of the present invention.
Фиг. 1 изображает структурную модель робохирургического комплекса, которая применяется для настоящего изобретения. FIG. 1 depicts a structural model of a robotic surgical system that is used for the present invention.
Фиг. 2 иллюстрирует схематическое изображение конкретного варианта осуществления ассистирующего хирургического комплекса. FIG. 2 illustrates a schematic diagram of a specific embodiment of an assisting surgical unit.
Фиг. 3 иллюстрирует перспективный вид контроллера, предназначенного для управления оператором мехатронными устройствами ассистирующего хирургического комплекса. FIG. 3 illustrates a perspective view of a controller for controlling the mechatronic devices of an assisting surgical unit by an operator.
Фиг. 4 иллюстрирует разработанную модель контроллера оператора с блоком- позиционирования, выполненным в виде дельта-робота. FIG. 4 illustrates the developed model of an operator controller with a positioning unit made in the form of a delta robot.
Фиг. 5 иллюстрирует блок позиционирования контроллера оператора. FIG. 5 illustrates an operator controller positioning unit.
Фиг. 6 иллюстрирует общий вид конструкции манипулятора. FIG. 6 illustrates a general view of the structure of a manipulator.
Фиг. 7 изображает общий вид модели трипода с установленным на его подвижной платформе хирургическим инструментом. FIG. 7 shows a general view of a model of a tripod with a surgical instrument installed on its movable platform.
Фиг. 8 иллюстрирует общий вид конструкции манипулятора с установленным на его подвижной платформе хирургическим инструментом. FIG. 8 illustrates a general view of the structure of the manipulator with a surgical instrument installed on its movable platform.
Фиг. 9 иллюстрирует схематическое изображение хирургического инструмента, расположенного на опоре, закрепленной на манипуляторе. FIG. 9 illustrates a schematic representation of a surgical instrument located on a support attached to a manipulator.
Фиг. 10 изображает архитектуру системы оценки сил. FIG. 10 depicts the architecture of a force rating system.
Фиг. 11 иллюстрирует механизм системы позиционирования манипуляторов и крепления ее к операционному хирургическому столу. Фиг. 12 иллюстрирует общий вид сборки системы позиционирования манипуляторов в рабочем положении. FIG. 11 illustrates the mechanism of the manipulator positioning system and its attachment to the operating surgical table. FIG. 12 illustrates a general view of the assembly of the manipulator positioning system in the working position.
Фиг. 13 отражает блок-схему алгоритма работы системы автоматического управления манипулятором камеры. FIG. 13 depicts a block diagram of the operation of the automatic control system of the camera manipulator.
Фиг. 14 иллюстрирует взаимодействие рук хирурга с контроллером управления при нефрэктомии. FIG. 14 illustrates the interaction of the surgeon's hands with the controller for nephrectomy.
Фиг. 15 иллюстрирует наиболее частое расположение рук хирурга при проведении операции. FIG. 15 illustrates the most common position of the surgeon's hands during the operation.
Термины и определения Terms and Definitions
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. 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.
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». 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, are used in a non-exclusive sense (ie, in the sense of "including"). Only expressions of the type “consisting of” should be considered as an exhaustive list.
В настоящих материалах заявки под терминами «роботизированный технологический комплекс», «роботизированная система», «роботизированный комплекс», «роботохирургический комплекс», «роботохирургическая система», «ассистирующий хирургический комплекс» 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, автоматическое устройства, робот-ассистирующая системами при проведении операции управляют хирурги. In these application materials, the terms “robotic technological complex”, “robotic system”, “robotic complex”, “robotic surgical complex”, “robotic surgical system”, “assisting surgical complex” mean complex systems or complexes in surgery using a robotic assistant during operation time. "Robot assistive systems" or "robotic assisted surgical systems" are robotic systems designed to perform medical operations. These are not autonomous, automatic devices, robotic-assisting systems during the operation are controlled by surgeons.
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. 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.
В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача- хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами. In this application, the term "operator" refers to the performing the operation of the surgeon. The terms "operator" and "surgeon" in the present description of the invention are synonymous.
В настоящих материалах заявки под термином «манипулятор» понимают мехатронный механизм, предназначенный для закрепления и перемещения (изменения положения) хирургического инструмента во время выполнения хирургической операции в соответствии с заданными командами от системы управления роботохирургического комплекса. In these application materials, the term "manipulator" means a mechatronic mechanism designed to secure and move (change the position) of a surgical instrument during a surgical operation in accordance with given commands from the control system of the robotic surgical complex.
В настоящих материалах заявки под термином «портальный механизм» понимают механизм роботизированной системы, состоящий из двух опорных (портальных) рам, имеющих возможность по команде от системы управления роботохирургического комплекса перемещаться одна относительно другой по осям, расположенным под углом 90° друг относительно друга. In these application materials, the term "portal mechanism" is understood as a mechanism of a robotic system, consisting of two support (portal) frames, which are able, upon command from the control system of the robotic surgical complex, to move relative to one another along axes located at an angle of 90 ° relative to each other.
В настоящих материалах заявки под терминами «модуль продольного перемещения» и «модуль поперечного перемещения» понимают механизмы, обеспечивающие взаимно- перпендикулярное движение того или иного элемента относительно друг друга. In the present application materials, the terms "longitudinal displacement module" and "lateral displacement module" are understood as mechanisms that ensure the mutually perpendicular movement of one or another element relative to each other.
В настоящей заявке под термином «хирургический инструмент», «инструмент» понимают специальный инструмент небольшого размера, который закрепляют в хирургическом роботе для проведения операций. Во время хирургической операции инструменты могут перемещаться, поворачиваться и вращаться в гораздо большем диапазоне и гораздо точнее, чем человеческая рука. В зависимости от типа операции используется соответствующий инструмент, который позволяет ее выполнить наиболее эффективно. Миниатюрный роботохирургический инструмент производит рассечение тканей, перемещение тканей, зажим, наложение швов и прочее, что позволяет работать с труднодоступными участками органов без риска повреждения здоровых тканей. In this application, the term "surgical instrument", "instrument" means a special instrument of small size, which is fixed in a surgical robot for performing operations. During surgery, instruments can move, rotate, and rotate over a much wider range and much more accurate than the human hand. Depending on the type of operation, the appropriate tool is used that allows it to be carried out most efficiently. A miniature robotic surgical instrument performs tissue dissection, tissue movement, clamping, suturing, etc., which allows you to work with hard-to-reach parts of organs without the risk of damaging healthy tissues.
В настоящей заявке под признаком «исполнительные поверхности инструмента», «исполнительная часть инструмента» понимают поверхности инструмента или часть инструмента, с помощью которых инструмент выполняет свое служебное назначение. Как правило, исполнительные поверхности, например, бранши, расположены на конце вводимого в тело пациента инструмента и совершают сложные движения, инициируемые и контролируемые хирургом. In the present application, under the sign "tool execution surfaces", "tool execution part" means the tool surfaces or part of the tool with which the tool performs its service purpose. Typically, the actuation surfaces, such as jaws, are located at the end of the instrument inserted into the patient's body and perform complex movements initiated and controlled by the surgeon.
Под термином «универсальный» в части его использования относительно контроллера в данном документе поднимают контроллер, который «оцифровывает» - переводит в числовые значение/координаты положение перемещаемой руку оператора и позволяет интегрировать в комплекс новый инструмент и управлять им, 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. Under the term “universal” in terms of its use with respect to the controller, in this document, the controller is raised, which “digitizes” - translates the position of the operator's hand into numerical values / coordinates and allows integrating a new tool into the complex and controlling it, without further changes in 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.
Пот термином «абсолютное положение» в данной документе понимают координату, определенную относительно неподвижного элемента конструкции. Sweat by the term "absolute position" in this document means a coordinate defined relative to a fixed structural member.
Под термином «датчик поворота» в данном документе понимают устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта в электрические или аналоговые сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Для определения значения угла поворота того или иного элемента в принципе подходят все виды угловых датчиков. Однако, в большинстве используемых датчиков требуется, прежде всего, постоянная регистрация и сохранение текущих данных о повороте элемента. Датчики поворота могут быть использованы на основе инкрементальных и абсолютных энко деров. Датчики имеют цифровые выходные сигналы Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profmet и другие. Также могут быть использованы датчики на основе аналоговых датчиков угла поворота и/или магнитных датчиков угла поворота. The term "rotation sensor" in this document refers to a device designed to convert the angle of rotation of a rotating object into electrical or analog signals, allowing 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 sensors can be used on based on incremental and absolute encoders. The sensors have digital output signals Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profmet and others. Sensors based on analog steering angle sensors and / or magnetic steering angle sensors can also be used.
Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов). The term "connected" means functionally connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.
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. 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.
Подробное описание изобретения Detailed description of the invention
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. The description of exemplary embodiments of the present invention below is provided by way of example only and is intended for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the disclosed invention.
Настоящее решение относится в целом к ассистирующему хирургическому комплексу, общая структура которого изображена на фиг. 1. Роботохирургический комплекс включает в себя три основных узла. Первым узлом являются контроллеры, служащие задающим устройством и с которыми непосредственно взаимодействует хирург. Вторым исполнительным узлом являются манипуляторы, на которых установлены медицинские инструменты. В зависимости от выполняемой процедуры имеется возможность смены медицинского инструмента на более подходящий. Третьим узлом роботохирургического комплекса является вычислительный блок, с помощью которого осуществляются все взаимодействия системы. Роботохирургический комплекс может быть использован при проведении различных хирургических вмешательств, в том числе в урологии, гинекологии, абдоминальной, нейро- и кардиохирургии. The present solution relates generally to an assisting surgical system, the general structure of which is shown in FIG. 1. The robotic surgical complex includes three main units. The first node is the controllers, which serve as a master device and with which the surgeon interacts directly. The second executive unit is manipulators on which medical instruments are installed. Depending on the procedure performed, it is possible to change the medical instrument to a more suitable one. The third node of the robotic-surgical complex is the computing unit, with the help of which all interactions of the system are carried out. The robotic surgical complex can be used for various surgical procedures, including urology, gynecology, abdominal, neuro- and cardiac surgery.
Более подробно, роботохирургический комплекс 1000 состоит из трех взаимосвязанных основных узлов: тележка пациента (исполнительное устройство) 1300, система автоматического управления 1200 и консоль управления (задающее устройство) 1100, которая получает команды от хирурга 1130 для дальнейшего преобразования их в движение закрепленных в манипуляторе хирургических инструментов или для обеспечения генерации управляющих команд от хирурга для других блоков роботохирургического комплекса. In more detail, the robotic surgical complex 1000 consists of three interconnected main units: the patient carriage (actuator) 1300, the automatic control system 1200 and the control console (master device) 1100, which receives commands from the surgeon 1130 to further transform them into movement of surgical instruments or to ensure the generation of control commands from the surgeon for other units of the robotic surgical complex.
Также одним из узлов в роботохирургическом комплексе является система стереоизображения (система визуализации), которая включает камеру 1400 для получения изображения операционного поля 1330 и монитор системы визуализации 1140 для отображения полученного от камеры трехмерного изображения операционного поля. От качества получаемого хирургом изображения зависит эффективность проводимой операции. Современное развитие мехатронных систем и постоянное совершенствование роботохирургии предъявляет новые требования к разрабатываемым устройствам системы визуализации. Also, one of the nodes in the robotic surgical complex is a stereo imaging system (imaging system), which includes a camera 1400 for obtaining an image of the operating field 1330 and a monitor of the imaging system 1140 for displaying a three-dimensional image of the operating field obtained from the camera. The efficiency of the operation depends on the quality of the image obtained by the surgeon. The modern development of mechatronic systems and the constant improvement of robotic surgery present new requirements for the developed devices of the visualization system.
Консоль управления 1100 находится вне стерильной зоны хирургического блока и выполнена с возможностью управления: манипуляторами 1310, 1311, 1312 с закрепленными на них хирургическими инструментами; манипулятором 1320 с закрепленной на нем камерой 1400; непосредственно самими хирургическими инструментами. В управлении участвует контроллер 1110, управляемый руками хирурга, и педали 1120, управляемые ногами хирурга. The control console 1100 is located outside the sterile zone of the surgical unit and is made with the ability to control: manipulators 1310, 1311, 1312 with surgical instruments attached to them; a manipulator 1320 with a camera 1400 attached to it; directly by the surgical instruments themselves. The control involves the controller 1110, controlled by the hands of the surgeon, and the pedals 1120, controlled by the feet of the surgeon.
Обычно манипуляторы с хирургическими инструментами и камерой смонтированы на тележке пациента, которая предназначена для их поддержки и расположения относительно пациента. Следует понимать, что роботохирургический комплекс может иметь любое число манипуляторов, так, например, один или более манипуляторов. На фиг. 1 показаны три манипулятора 1310, 1320, 1330, выполненные с возможностью перемещения в трех плоскостях и вращения в трех плоскостях, а также манипулятор 1320 камеры 1400. Все манипуляторы, указанные на структурной схеме и являющиеся частью тележки пациента, обладают общими механическими характеристиками и конструкционным особенностями. Каждый манипулятор имеет корпус и соединительный узел манипулятора, к которому съемно может быть присоединен хирургический инструмент или камера, движение и положение которых имеет возможность изменять хирург, манипулируя/управляя с помощью контроллера управления, который оцифровывает движение рук хирурга. Typically, manipulators with surgical instruments and a camera are mounted on a patient trolley, which is designed to support and position them relative to the patient. It should be understood that the robotic surgical system can have any number of manipulators, such as one or more manipulators. FIG. 1 shows three manipulators 1310, 1320, 1330, made with the possibility of movement in three planes and rotation in three planes, as well as a manipulator 1320 of the camera 1400. All manipulators indicated in the structural diagram and being part of the patient cart have common mechanical characteristics and design features ... Each manipulator has a casing and a manipulator connection unit, to which a surgical instrument or camera can be detachably attached, the movement and position of which the surgeon can change by manipulating / controlling using a control controller that digitizes the movement of the surgeon's hands.
Контроллер управления 1110 хирурга (контроллер оператора) позволяет управлять хирургическими инструментами и камерой, расположенных внутри пациента при проведении хирургической операции. Контроллер оператора 1110 преобразует механические движения руки хирурга на всей естественной амплитуде движений по шести степеням свободы для генерирования управляющих команд для роботохирургического комплекса. The surgeon control controller 1110 (operator controller) allows you to control the surgical instruments and the camera located inside the patient during surgery. The operator controller 1110 converts the mechanical movements of the surgeon's hand over the entire natural range of motion in six degrees of freedom to generate control commands for the robotic surgical complex.
Контроллер управления хирурга (контроллер оператора) 1110 формирует команду на перемещение хирургического инструмента. Дополнительно контроллер выполняет управление поворотами и открытием-закрытием бранша на хирургическом инструменте. Хирург 1130 имеет возможность генерировать по меньшей мере три поступательные и три вращательные степени свободы и дополнительно как минимум одну степень свободы при смыкании/размыкании браншей, что достаточно для управления хирургическим инструментом, выполняющим хирургическую операцию. The surgeon's control controller (operator controller) 1110 generates a command to move the surgical instrument. Additionally, the controller controls the turning and opening-closing of the jaw on the surgical instrument. The surgeon 1130 has the ability to generate at least three translational and three rotational degrees of freedom and additionally at least one degree of freedom when opening / closing jaws, which is sufficient to control a surgical instrument performing a surgical operation.
Под педалью 1120 в настоящей заявке понимают контактный коммутационный аппарат (механический или электронный), способный включать/выключать прохождения тока в цепи. В качестве такого аппарата может выступать педаль, кнопка, выключатель, переключатель и тому подобное. Здесь и далее в рамках данной настоящей заявки педалью 1120 является ножной педальный выключатель, который замыкает электрическую цепь при нажатии хирургом на педаль ногой. В составе консоли управления педалей может быть несколько. Педали предназначены для смены режимов работы контроллера управления, либо для переключения дополнительного функционала, например коагуляции, лазера и тому подобное. Ножные педальные выключатели позволяют хирургу управлять камерой, инструментами, электрохирургическими инструментами. Pedal 1120 in this application is understood as a contact switching device (mechanical or electronic) capable of turning on / off the passage of current in a circuit. A pedal, button, switch, switch and the like can act as such an apparatus. Hereinafter, within the scope of this present application, the pedal 1120 is a footswitch that closes an electrical circuit when the surgeon depressing the pedal with his foot. There can be several pedals in the control console. The pedals are designed to change the operating modes of the control controller, or to switch an additional functional, such as coagulation, laser and the like. Footswitches allow the surgeon to control the camera, instruments, electrosurgical instruments.
Система автоматического управления 1200 на основе полученных данных от контроллеров управления 1110 и сигнала с педалей 1120 генерирует управляющие команды, которые могут быть направлены как на манипуляторы 1310, 1311, 1312 с хирургическими инструментами, так и на манипулятор 1320, в котором закреплена камера. Нажатие и удерживание ножного выключателя 1120 отключает контроллеры управления 1110 от управления хирургическими инструментами (от управления манипуляторами 1310, 1311, 1312 с хирургическими инструментами) и включает и позволяет выполнить управление движением манипулятора 1320 с камерой 1400. В этом режиме оба контроллера 1110, правый и левый, работают одновременно. Когда педаль 1120 будет отпущена, контроллеры управления 1110 опять будут управлять хирургическими инструментами. В этом случае система автоматического управления 1200 получает от контроллера управления 1110 данные о трех поступательных и трех вращательных степенях свободы и генерирует на их основе три поступательных и три вращательных перемещения манипулятора с хирургическим инструментом. The automatic control system 1200, based on the data received from the controllers 1110 and the signal from the pedals 1120, generates control commands that can be directed both to the manipulators 1310, 1311, 1312 with surgical instruments, and to the manipulator 1320, in which the camera is fixed. Pressing and holding the footswitch 1120 disables controllers 1110 from operating surgical instruments (from operating manipulators 1310, 1311, 1312 with surgical instruments) and enables and allows movement of manipulator 1320 with camera 1400. In this mode, both controllers 1110, right and left work at the same time. When the pedal 1120 is released, the controllers 1110 will again operate the surgical instruments. In this case, the automatic control system 1200 receives data on three translational and three rotational degrees of freedom from the control controller 1110 and generates on their basis three translational and three rotational movements of the manipulator with a surgical instrument.
Поскольку хирург может управлять движением и ориентацией хирургических инструментов, не держа фактически хирургические инструменты непосредственно в руках, то он (хирург) может эксплуатировать комплекс как в сидячем, так и стоячем положении. В качестве приспособления для сидячего положения комплекс может быть обеспечен креслом. Since the surgeon can control the movement and orientation of the surgical instruments without actually holding the surgical instruments directly in his hands, he (the surgeon) can operate the complex both in a sitting and standing position. As an adaptation for a seated position, the complex can be provided with a chair.
Предпочтительный вариант выполнения ассистирующего хирургического комплекса 2000 согласно настоящему изобретению изображен на фиг. 2. Комплекс состоит из следующих основных компонентов: A preferred embodiment of an assisting surgical unit 2000 according to the present invention is depicted in FIG. 2. The complex consists of the following main components:
2110 - Контроллер управления хирурга (контроллер оператора), используемый в комплексе согласно настоящему изобретению, который получает команды от хирурга, преобразует их в движение хирургического инструмента внутри тела пациента во время проведения хирургической операции и/или обеспечивает все управляющие команды от хирурга комплектующим роботохирургического комплекса. 2110 - The surgeon's control controller (operator's controller) used in the complex according to the present invention, which receives commands from the surgeon, converts them into the movement of the surgical instrument inside the patient's body during the surgical operation and / or provides all control commands from the surgeon with the components of the robotic surgical complex.
2150 - Цифровой блок управления контроллером оператора. 2150 - Digital operator controller control unit.
2200 - Система автоматического управления, выполненная в виде системы числового программного управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, и обеспечивающая числовое управление всем комплексом и отдельными блоками, такими как система наблюдения за операционным полем, хирургический инструмент, вспомогательное технологическое оборудование, операционный стол, оборудование. 2200 - An automatic control system made in the form of a numerical programmed control (CNC) system of an assisting surgical complex, and providing numerical control of the entire complex and individual units, such as a monitoring system for the operating field, surgical instruments, auxiliary technological equipment, an operating table, and equipment.
2310 - Манипулятор хирургического инструмента, используемый в комплексе согласно настоящему изобретению. 2310 — A surgical instrument manipulator used in the assembly of the present invention.
2340 - Система позиционирования манипулятора относительно оперируемого. 2340 - Positioning system of the manipulator relative to the operated one.
2320 - Манипулятор камеры, которая позволяет получить изображение операционного поля во время проведения хирургической операции. При этом контроллер управления (контроллер оператора) 2110 взаимодействует с механическим манипулятором 2320, входящим в состав роботохирургического комплекса, с закрепленной на нем камерой, таким образом, чтобы уменьшить или убрать совсем количество совершаемых хирургом компенсационных движений при управлении камерой, тем самым обеспечив сокращение продолжительности операции, уменьшение рисков ошибок хирурга, а также сокращение утомляемости хирурга на основе максимально интуитивного понятного порядка управления камерой. 2320 - Camera manipulator, which allows you to obtain an image of the operating field during a surgical operation. In this case, the control controller (operator controller) 2110 interacts with the mechanical manipulator 2320, which is part of the robotic surgical complex, with a camera attached to it, in such a way as to reduce or completely eliminate the number of compensatory movements performed by the surgeon when controlling the camera, thereby ensuring a reduction in the duration of the operation , reducing the risk of surgeon errors, as well as reducing surgeon fatigue based on the most intuitive way to control the camera.
Также в контуре силовой обратной связи настоящего роботохирургического комплекса интегрирована система оценки сил воздействия на ткани и органы пациента инструментом в процессе роботохиругической операции. Использование такой системы позволяет реализовать тактильные ощущения для хирурга от контакта поверхностей инструмента с тканями пациента, не создавая ощущений от контакта инструмента с троакаром, которые вынужденно возникают в виде трения и различных боковых сил при перемещении инструмента в троакаре во время работы. Also, in the force feedback loop of the present robotic surgical complex, a system for evaluating the forces of action on the patient's tissues and organs with a tool in the process of a robotic surgical operation is integrated. The use of such a system allows the surgeon to realize tactile sensations from the contact of the instrument surfaces with the patient's tissues, without creating sensations from the contact of the instrument with the trocar, which are forced to arise in the form of friction and various lateral forces when the instrument moves in the trocar during operation.
Ниже представлено подробное описание конструкции усовершенствованных блоков, которые являются составляющими элементами ассистирующего хирургического комплекса, а также их информационных связей между собой. Below is a detailed description of the design of the improved blocks, which are the constituent elements of the assisting surgical complex, as well as their informational links with each other.
Контроллер оператора 3000 (фиг. 3) относится к классу механизмов, обеспечивающих преобразование в электронный цифровой сигнал команд, которые человек задает движением руки. Общий вид контроллера оператора изображен на фиг. 3. Контроллер оператора 3000 в целом состоит из управляющей ручки 3100, блока-платформы позиционирования 3200 и цифрового блока управления (не показан на чертеже). The operator controller 3000 (Fig. 3) 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. A general view of the operator's controller is shown in Fig. 3. The operator controller 3000 generally consists of a control handle 3100, a positioning platform unit 3200, and a digital control unit (not shown in the drawing).
Указанный контроллер 3000 имеет контур прямой связи для того, чтобы задавать команды от оператора (хирурга) 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 3000 предназначен для передачи на руку тактильных ощущений. The specified controller 3000 has a feed-forward loop for giving commands from the operator (surgeon) 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 3000's feedback loop is designed to transmit tactile sensations to the hand.
Контакт контроллера 3000 с рукой реализуется на управляющей ручке 3100. Управляющая ручка 3100 в целом состоит из контроллера кисти 3110 и контроллера запястья 3120, каждый из которых обеспечивает две вращательные степени свободы контроллера 3000. The hand contact of the controller 3000 is realized at the control handle 3100. The control handle 3100 generally consists of a hand controller 3110 and a wrist controller 3120, each of which provides two rotational degrees of freedom for the controller 3000.
Блок-платформа позиционирования контроллера 3200 представляет собой контроллер руки, обеспечивающий три поступательные степени свободы контроллера 3000 путем возвратно- поступательного движения механизма контроллера 3000 по трем взаимно ортогональным осям. При этом на контроллере руки 3200 закреплен контроллер запястья 3120, входящий в состав управляющей ручки контроллера 3100. Таким образом, контроллер оператора 3000 контролирует и преобразует в цифровой сигнал движения руки по шести степеням свободы. На фиг. 4 изображен перспективный вид контроллера управления мехатронными устройствами, позволяющий считывать шесть степеней свободы и состоящий из контроллера руки, контролера запястья и контроллера кисти. The 3200 controller positioning platform block is a hand controller that provides three translational degrees of freedom of the controller 3000 by reciprocating the movement of the controller 3000 mechanism along three mutually orthogonal axes. At the same time, a wrist controller 3120 is attached to the hand controller 3200, which is part of the control handle of the controller 3100. Thus, the operator controller 3000 monitors and converts into a digital signal the movement of the hand in six degrees of freedom. FIG. 4 depicts a perspective view of a mechatronic device controller with six degrees of freedom and consisting of a hand controller, a wrist controller, and a hand controller.
Контроллер руки (или блок-платформа позиционирования) 3200 состоит из по меньшей мере двух платформ - неподвижной опорной и подвижной - и блока позиционирования. К неподвижной опорной платформе прикреплена подвижная платформа посредством механизма компенсации веса, включающего блок позиционирования, выполненный на принципах параллельной структуры, предпочтительно, на основе механизма типа «дельта» (дельта-робота или дельтапода), и приводного механизма, который приводит в движение дельта-робот, обеспечивая при этом минимальный люфт. The hand controller (or block-positioning platform) 3200 consists of at least two platforms - fixed support and movable - and a positioning unit. A movable platform is attached to the fixed support platform by means of a weight compensation mechanism including a positioning unit made on the principles of a parallel structure, preferably based on a delta type mechanism (delta robot or deltapod), and a drive mechanism that drives the delta robot while ensuring minimal backlash.
Механизм параллельной структуры может быть использован любой. В предпочтительном варианте осуществления контроллера блок позиционирования представляет собой замкнутую кинематическую цепь, состоящую из штанг постоянной длины, расположенных попарно параллельно и соединенных одними концами с соответствующими приводами, закрепленными на неподвижной опорной платформе, а другими концами - с подвижной платформой. Дельта- механизмы обладают повышенной маневренностью и расширенной границей рабочей зоны. Anyone can use the parallel structure mechanism. In a preferred embodiment of the controller, the positioning unit is a closed kinematic chain consisting of rods of constant length arranged in pairs in parallel and connected at one end to the corresponding actuators fixed on a fixed support platform, and at the other ends to a movable platform. Delta mechanisms have increased maneuverability and an extended border of the working area.
Более того, контроллер на основе механизма параллельной структуры в сравнении с контроллерами последовательной структуры и иными контроллерами имеет значительно меньший вес и размер при одновременно большей точности, жесткости и мощности. Moreover, the controller based on the parallel structure mechanism, in comparison with the sequential structure controllers and other controllers, has a significantly lower weight and size, while at the same time greater accuracy, rigidity and power.
Дельта-робот (фиг. 5) представляет собой вид параллельного робота, который состоит из трех рычагов 410, расположенных под углом 120° относительно друг друга и прикрепленных к опорной платформе 420. Преимуществом конструкции дельта-робота является использование параллелограммов 440, содержащих штанги постоянной длины, расположенные попарно параллельно и соединенные между собой с помощью карданных шарниров 450. Параллелограммы 440 одним концом соединены за соответствующие рычаги 410, а вторым концом связаны с подвижной платформой 430. Такая конструкция позволяет сохранять пространственную ориентацию механизмов робота. При этом подвижная платформа 430 всегда расположена параллельно опорной платформе 420. The delta robot (FIG. 5) is a view of a parallel robot that consists of three arms 410 located at an angle of 120 ° relative to each other and attached to a support platform 420. An advantage of the delta robot design is the use of parallelograms 440 containing constant-length rods arranged in pairs in parallel and connected to each other using cardan joints 450. The parallelograms 440 are connected at one end by the corresponding levers 410, and at the other end are connected to the movable platform 430. This design allows you to maintain the spatial orientation of the robot mechanisms. In this case, the movable platform 430 is always parallel to the supporting platform 420.
Соединение рычагов 410 с опорной платформой 420 производится через верхние подшипниковые узлы 460, чтобы обеспечить необходимые углы для исходного состояния дельта- робота. Верхние подшипниковые узлы 460 закреплены на опорной платформе 420. Установленные на верхние подшипниковые узлы 460 рычаги 410 на центрах соединения образуют равносторонний треугольник, углы которого влияют на размер полезной рабочей области дельта-робота. За перемещения по оси Z отвечает рычаги 410. Увеличивая длину рычага 410, увеличивается ход по оси Z. Размеры при перемещении по осям X и Y задаются параллелограммами 440. The connection of the arms 410 to the support platform 420 is made through the upper bearing assemblies 460 to provide the necessary angles for the initial state of the delta robot. The upper bearing assemblies 460 are fixed on a support platform 420. Mounted on the upper bearing assemblies 460, the levers 410 form an equilateral triangle at the connection centers, the angles of which affect the size of the useful working area of the delta robot. Levers 410 are responsible for the movement along the Z axis. By increasing the length of the lever 410, the stroke along the Z axis increases. The dimensions when moving along the X and Y axes are set by parallelograms 440.
Приводной механизм контроллера, который приводит в движение блок позиционирования контроллера, в частности, рычаги 410, может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов при работе механизма. В предпочтительном варианте осуществления контроллера приводной механизм может быть выполнен как кривошипно-шатунный механизм. Он приводится в движение с помощью шарико- винтовой передачи, исполняющей вращательные движения за счет сервопривода с встроенным электромагнитным тормозом и датчиком положения углов. Сервопривод - электромеханическое устройство, которое осуществляет динамические движения с постоянным контролем угла поворота вала, а также предоставляет возможность управления угловыми скоростями в различных исполнительных устройствах. В зависимости от получаемого на управляемый вход сервопривода значения управляющего параметра в результате сравнения данного параметра со значением датчика положения углов (энкодера) или с математической моделью (алгоритм вычислений вшит в памяти частотного преобразователя) изменяются параметры работы электропривода и осуществляется некоторое корректирующее действие для сервомотора (или серия действий), например поворот вала, ускорение или замедление, так, чтобы значение с датчика положения стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра. Используемый тип сервопривода может быть любым. В некоторых вариантах осуществления контроллера используется интегрированный сервопривод. The controller drive mechanism that drives the controller positioning unit, in particular the levers 410, can be made in the form of any known mechanism, ensuring the reduction of precision losses due to backlash during the operation of the mechanism. In a preferred embodiment of the controller, the drive mechanism can be configured as a crank mechanism. It is driven by a ball screw, which performs rotary movements by a servo drive with an integrated electromagnetic brake and an angle position sensor. Servo drive is an electromechanical device that carries out dynamic movements with constant control of the angle of rotation of the shaft, and also provides the ability to control angular speeds in various actuators. Depending on the value of the control parameter received at the controlled input of the servo drive, as a result of comparing this parameter with the value of the angle position sensor (encoder) or with a mathematical model (the calculation algorithm is sewn into the memory of the frequency converter), the parameters of the electric drive change and some corrective action is taken for the servo motor (or a series of actions), such as shaft rotation, acceleration or deceleration, so that the value from the encoder is as close as possible to the value of the external control parameter. The type of servo used can be anything. In some embodiments of the controller, an integrated servo is used.
В некоторых вариантах осуществления контроллера в качестве приводного механизма может быть использован любой известный безлюфтовой редуктор с нулевым механическим люфтом, например, безлюфтовый прецизионный редуктор, предпочтительно волнового типа или планетарный редуктор с угловым люфтом менее 6’. In some embodiments of the controller, any known backlash-free gearbox with zero mechanical backlash can be used as a drive mechanism, for example, a backlash-free precision gearbox, preferably wave type, or a planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 '.
В предпочтительном варианте осуществления приводной механизм включает сервопривод 510 с шарико-винтовой передачей и кривошипно-шатунным механизмом. В зависимости от шага шарико-винтовой передачи и радиуса кривошипа можно увеличить или уменьшить передаточное число приводного механизма. In a preferred embodiment, the drive mechanism includes a ball screw servo 510 with a crank mechanism. Depending on the pitch of the ball screw and the radius of the crank, the gear ratio of the drive train can be increased or decreased.
На цилиндрических направляющих 570 между подвижной платформой 430 и направляющей платформой (не показана на чертеже) установлена и закреплена тензоплатформа 610, которая выполнена с возможностью получения цифровой информации в трехмерном пространстве о прикладываемой силе, векторе приложения силы и ускорении приложения силы, передаваемой на кисть от предплечья и иных, вышерасположенных частей руки оператора во время управления мехатронным комплексом. На тензоплатформе 610 установлены тензометрические датчики (тензодатчики) 600 для точного и эффективного определения прикладываемых сил со стороны оператора, которые крепятся к тензоплатформе через подшипниковые узлы 620. Тензодатчики 600 преобразуют величину деформации в электрический сигнал. On the cylindrical guides 570 between the movable platform 430 and the guide platform (not shown in the drawing), a strain-gauge platform 610 is installed and fixed, which is configured to obtain digital information in three-dimensional space about the applied force, the vector of force application and the acceleration of the force applied to the hand from the forearm and other, higher-located parts of the operator's hand during control of the mechatronic complex. The strain gauge 610 is equipped with strain gauges (strain gauges) 600 to accurately and efficiently determine the applied forces from the operator, which are attached to the strain gauge through bearing assemblies 620. Strain gauges 600 convert the amount of deformation into an electrical signal.
Тензодатчик 600 с одной стороны своим подвижным концом соединен с корпусом опорного подшипника 620, а с другой стороны другим концом соединен с тензоплатформой 610 через подшипниковый узел тензоплатформы 660. Тензодатчики 600 расположены на тензоплатформе 610 и сопряжены с каждой шарико -винтовой передачей, а именно, с валом шарико- винтовой передачи, через опорные подшипниковые узлы 620. Load cell 600 on one side with its movable end is connected to the support bearing housing 620, and on the other side is connected with the other end to the load platform 610 through the bearing assembly of the load platform 660. Load cells 600 are located on the load cell 610 and are mated to each ball screw, namely shaft ball screw drive, through the support bearing units 620.
При возникновении усилий со стороны оператора механическая сила, прикладываемая оператором и передаваемая от предплечья на кисть оператора, проходит через подвижную платформу 430 контроллера руки по штангам параллелограммов 440 равной длины, расположенным попарно параллельно и соединенными одними концами за приводной кривошипно- шатунный механизм. Кривошипно-шатунный механизм, в свою очередь, соединен с шарико- винтовой передачей. В частности, рычаг 410 соединен с верхним подшипниковым узлом 460 и через шатун с нижним подшипниковым узлом. Таким образом, вращательные движения рычага 410 переводятся в поступательные движения направляющей платформы, на которой установлены нижние подшипниковые узлы и гайка шарико-винтовой передачи. Поступательные движения от гайки передаются во вращательные движения вала шарико-винтовой передачи, который воздействует на опорный подшипниковый узел 620. Следовательно, через шарико-винтовую передачу кривошипно-шатунный механизм действует на опорно -подшипниковый узел 620. Установленный тензодатчик 600 на тензоплатформе 610 своим подвижным концом соединен с корпусом опорного подшипника 620. Тензодатчик 600 преобразует величину деформации в электрический сигнал и передает его через свои выходы на цифровой блок управления контроллером (не показан на чертеже). When forces arise from the operator's side, the mechanical force applied by the operator and transmitted from the forearm to the operator's hand passes through the movable platform 430 of the hand controller along the rods of parallelograms 440 of equal length, arranged in pairs in parallel and connected by one ends behind the drive crank mechanism. The crank mechanism, in turn, is connected to a ball screw drive. In particular, the arm 410 is connected to the upper bearing assembly 460 and via the connecting rod to the lower bearing assembly. Thus, the rotational movements of the lever 410 are translated into translational movements of the guide platform, on which the lower bearing assemblies and the ball screw nut are installed. The translational movements from the nut are transmitted to the rotational movements of the ball screw shaft, which acts on the support bearing assembly 620. Therefore, through the ball screw, the crank mechanism acts on the support and bearing assembly 620. The load cell 600 mounted on the load cell 610 with its movable end connected to the support bearing housing 620. The load cell 600 converts the amount of deformation into an electrical signal and transmits it through its outputs to a digital controller control unit (not shown in the drawing).
Цифровой блок управления контроллером, в свою очередь, на основании полученного сигнала по заданной программе рассчитывает траекторию перемещения дельта-робота по трем линейным координатам и при помощи сервоприводов перемещает блок позиционирования в требуемую позицию. Например, цифровой блок управления может быть выполнен с возможностью сравнения получаемого значения сигнала о деформации, а, следовательно, о перемещении, с заранее заданным значением, которое определяет положение дельта-робота в равновесии и подачи такого управляющего сигнала на сервопривод, чтобы значение с датчика положения углов стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра. Такой механизм позволяет реализовать механизм регулируемого противодействия естественному опусканию дельта-робота под воздействием силы тяжести подвижных частей контроллера - систему «виртуального веса» (СВВ). СВВ позволяет регулировать вес, ощущаемый человеком на управляющей ручке контроллера в диапазоне от фактического (100%) до 0% - «нулевая плавучесть». The digital control unit of the controller, in turn, based on the received signal according to a given program, calculates the trajectory of the delta robot along three linear coordinates and, using servo drives, moves the positioning unit to the required position. For example, the digital control unit can be configured to compare the received value of the deformation signal, and therefore the displacement, with a predetermined value that determines the position of the delta robot in equilibrium and supply such a control signal to the servo drive so that the value from the position sensor angles became as close as possible to the value of the external control parameter. Such a mechanism makes it possible to implement a mechanism of controlled counteraction to the natural lowering of the delta-robot under the influence of the gravity of the moving parts of the controller - the “virtual weight” system (SVV). UHV allows you to adjust the weight felt by a person on the control handle of the controller in the range from the actual (100%) to 0% - "zero buoyancy".
Система «виртуального веса» мультиплицирует величину усилия, прикладываемую рукой оператора к управляющей ручке контроллера, что позволяет индивидуально подбирать и всегда обеспечивать комфортное и постоянное для человека усилие при воздействии на контроллер, независимо от размера и веса составляющих контроллер деталей. The "virtual weight" system multiplies the amount of force applied by the operator's hand to the control handle of the controller, which allows you to individually select and always provide a comfortable and constant force for a person when acting on the controller, regardless of the size and weight of the parts that make up the controller.
Цифровой блок управления контроллером сконфигурирован и построен таким образом, что позволяет сосредоточить максимум усилий на алгоритмах управления высокого уровня, освобождая пользователя от необходимости разработки и отладки устройств и приложений для управления отдельными сервоприводами. Цифровой блок управления контроллером имеет возможность записи всех управляющих команд и передачи их на систему числового программного управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. The digital control block of the controller is configured and built in such a way that allows you to focus maximum efforts on high-level control algorithms, freeing the user from the need to develop and debug devices and applications for controlling individual servo drives. The digital control unit of the controller has the ability to record all control commands and transfer them to the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on a computer.
Таким образом, конфигурация контроллера руки позволяет перемещать его рукой оператора по трем линейных координатам, не затрачивая значительных сил руки оператора, компенсируя недостающую силу работой исполнительных двигателей, управляемых сигналами от цифрового блока управления контроллера для получения точных координат положения кисти от перемещения предплечья и иных, вышерасположенных, частей руки оператора-хирурга по как минимум трем степеням свободы, и компенсации веса контроллера руки в статике или при движении. Thus, the configuration of the hand controller makes it possible to move it by the operator's hand along three linear coordinates, without spending significant forces on the operator's hand, compensating for the lack of force by the operation of the actuator motors, controlled by signals from the digital control unit of the controller to obtain the exact coordinates of the hand position from the movement of the forearm and other higher , parts of the hand of the operator-surgeon at least three degrees of freedom, and compensation for the weight of the hand controller in statics or during movement.
Контроллер запястья 3120 прикрепляется к подвижной платформе контроллера кисти (фиг. 4). Главным предназначением контроллера запястья 3120 является реализация контакта и взаимодействия 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 симуляции того или иного действия для обучения оператора. The wrist controller 3120 attaches to a movable hand controller platform (FIG. 4). The main purpose of the 3120 wrist controller is to implement contact and interaction with the operator's wrist and provide 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 simulating one or another steps to train the operator.
Контроллер запястья 3120 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 запястьем кисти в этих плоскостях. The wrist controller 3120 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 turns in the operator's wrist during control of the mechatronic complex. The design of the wrist controller is limited and specified by the physiological angle of the possible rotation of the wrist in these planes.
Контроллер запястья 3120 имеет в составе по меньшей мере два блока: блок механизма поворота и блок подвижной консоли, каждый из которых обеспечивают две степени свободы запястья, и по меньшей мере один блок управления контроллера запястья. The wrist controller 3120 includes at least two blocks: a pivot block and a movable console block, each of which provides two degrees of freedom for the wrist, and at least one wrist controller control block.
Блок механизма поворота закреплен на контроллере кисти 3110 таким образом, чтобы иметь возможность вращения относительно продольной оси контроллера кисти, обеспечивая при этом одну степень свободы контроллера кисти. Структура блока подвижной консоли обеспечивает одну степень свободы относительно блока механизма поворота. The rotation mechanism assembly is attached to the hand controller 3110 so as to be rotatable about the longitudinal axis of the hand controller while providing one degree of freedom for the hand controller. The structure of the movable arm block provides one degree of freedom relative to the swing mechanism block.
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. 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 rotation 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.
Для считывания данных с датчиков определения угла поворота и осуществления поворота блока подвижной консоли и/или блока механизма поворота контроллер кисти включает приводные элементы. For reading data from sensors for determining the angle of rotation and performing a rotation the block of the movable console and / or the block of the rotation mechanism, the hand controller includes the drive elements.
Для определения координат кистевого аппарата хирурга в составе контроллера оператора 3000 управления мехатронным комплексом используют контроллер кисти 3110. Контроллер кисти 3110 предназначен для контакта и взаимодействия с кистью хирурга и наиболее точно, на всей амплитуде движения руки и при всех углах движения рук, контролирует как минимум один угол поворота кисти руки и перемещение, взаимоположение друг относительно друга как минимум двух пальцев, преобразуя эту информацию в цифровой сигнал. To determine the coordinates of the surgeon's wrist apparatus as part of the operator controller 3000 for controlling the mechatronic complex, the hand controller 3110 is used. The hand controller 3110 is designed for contact and interaction with the surgeon's hand and, most accurately, controls at least one angle of rotation of the hand and movement, relative position of at least two fingers, converting this information into a digital signal.
Дополнительно контроллер кисти 3110 обеспечивает минимальную нагрузку веса на кисть оператора при управлении, имеет и реализует канал обратной связи от элемента роботизированного технологического комплекса или системы управления в целом. Additionally, the hand controller 3110 provides a minimum weight load on the operator's hand during control, has and implements a feedback channel from an element of a robotic technological complex or a control system as a whole.
Контроллер кисти 3110 характеризуется тем, что содержит рукоятку с пальцевыми схватами. Рукоятка имеет корпус, охватываемый и удерживаемый оператором во время работы. Пальцевые схваты выполнены с возможностью расположения на них пальцев оператора во время работы. Контроллер кисти включает датчики поворота пальцевых схватов для определения абсолютного положения пальцевых схватов относительно оси вращения пальцевых схватов и датчик поворота рукоятки для определения абсолютного положения рукоятки относительно ее продольной оси, приводные элементы рукоятки и пальцевых схватов, блок управления контроллером запястья. The hand controller 3110 is characterized in that it contains a grip with finger grips. The handle has a body that is gripped and held by the operator during operation. Finger grips are made with the possibility of placing the operator's fingers on them during operation. The hand controller includes sensors for the rotation of the finger grips to determine the absolute position of the finger grips relative to the axis of rotation of the finger grips and a handle rotation sensor to determine the absolute position of the handle relative to its longitudinal axis, drive elements of the handle and finger grips, and a wrist controller control unit.
При возникновении усилий со стороны оператора контроллер кисти 3110 контролирует и оцифровывает отклонение кисти оператора, а также положение (приближение/смыкание/удаление) как минимум двух пальцев, охватывающих вместе с кистью оператора рукоятку контроллера кисти в области пальцевых схватов. When forces are exerted by the operator, the 3110 hand controller monitors and digitizes the operator's hand deflection, as well as the position (approach / close / withdrawal) of at least two fingers, together with the operator's hand, wrap around the hand controller handle in the area of the finger grips.
При повороте рукоятки кистью руки оператора датчик поворота рукоятки формирует цифровой сигнал об угле поворота и передает его в блок управления контроллера кисти, который рассчитывает угол отклонения рукоятки относительно ее продольной оси и передает эту информацию в цифровой блок управления контроллером, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. When the handle is turned by the operator's hand, the handle rotation sensor generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the hand controller, which calculates the angle of deflection of the handle relative to its longitudinal axis and transmits this information to the digital control unit of the controller, which is configured to transmit the received signals on the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on the basis of a computer.
Пальцевые схваты работают в сочетании. В одном из вариантов осуществления один пальцевой схват выполнен за одно целое с корпусом рукоятки и неподвижен относительно него. Другой пальцевой схват подвижен и имеет один поворот, вращаясь вокруг своей оси, совпадающей с продольной осью рукоятки. Во время работы датчик поворота пальцевых схватов считывает угол поворота подвижного пальцевого охвата вокруг своей оси вращения и передает цифровой сигнал в блок управления контроллера кисти, который рассчитывает его положение относительно неподвижного пальцевого охвата и передает эту информацию на цифровой контроллер, который выполнен с возможностью передачи полученных сигналов на систему числового программного управления (ЧПУ) ассистирующего хирургического комплекса, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. Finger grips work in combination. In one embodiment, one finger grip is integral with the handle body and is stationary relative thereto. The other finger grip is movable and has one turn, rotating around its axis coinciding with the longitudinal axis of the handle. During operation, the finger gripper rotation sensor reads the angle of rotation of the movable finger grip around its axis of rotation and transmits a digital signal to the hand controller control unit, which calculates its position relative to the stationary finger grip and transmits this information to the digital controller, which is configured to transmit the received signals on a numerical software system control (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on the basis of a computer.
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. When forces are applied by the operator, the wrist controller monitors and digitizes the deflection of the wrist relative to the anteroposterior axis in the sagittal plane (abduction or adduction of the hand, also sometimes called radial deviation of the hand), as well as the rotation of the wrist around a predetermined center, repeating the rotation of the radius together with a hand around the ulna relative to the longitudinal axis of the operator's hand.
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) ассистирующего хирургического комплекса, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. 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 wrist controller control unit, which calculates the console deflection angle and transmits this information to the digital control unit controller, which is configured to transmit the received signals to the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on the basis of a computer.
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) ассистирующего хирургического комплекса, которая может быть выполнена на основе ЭВМ. When the rotation mechanism unit is rotated around a predetermined center with the operator's wrist, the rotation sensor of the rotation mechanism unit generates a digital signal about the rotation angle and transmits it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of deflection of the unit relative to the longitudinal axis of the operator's hand and transmits this information to the digital control unit controller, which is configured to transmit the received signals to the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on the basis of a computer.
Цифровой блок управления контроллером на основе полученных данных планирует траекторию поворота рукоятки и/или пальцевых схватов и/или блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли и при помощи подачи управляющего сигнала, подаваемого на приводной элемент рукоятки и/или приводной элемент пальцевых схватов и/или приводной элемент блока механизма поворота и/или блока подвижной консоли, перемещает рукоятку и/или пальцевые схваты и/или блок механизма поворота и/или блок подвижной консоли и непосредственно саму кисть и/или запястье оператора в требуемую позицию. The digital control unit of the controller, on the basis of the received data, plans the trajectory of rotation of the handle and / or finger grips and / or the unit of the swing mechanism and / or the unit of the movable console and using the control signal supplied to the drive element of the handle and / or the drive element of the finger grips and / or the drive element of the pivot mechanism unit and / or the movable console unit, moves the handle and / or finger grips and / or the pivot mechanism unit and / or the movable console unit and the hand itself and / or the operator's wrist to the required position.
Блоки управления контроллера кисти и/или управления контроллера запястья, тензоплатформа, цифровой блок управления контроллером могут быть сопряжены с цифровым блоком управления контроллером посредством общей шины передачи данных. Цифровой блок управления контроллером выполнен с возможностью записи данных о получаемых/передаваемых командах. Цифровой блок управления контроллером в свою очередь через общую шину передачи данных сопряжен с системой ЧПУ ассистирующего хирургического комплекса. Hand controller control units and / or wrist controller control units, strain gauge platform, digital controller control unit can be interfaced with the digital controller control unit via a common data bus. The digital control unit of the controller is configured to record data on received / transmitted commands. The digital control unit of the controller, in turn, through a common data bus is interfaced with the CNC system of the assisting surgical complex.
Таким образом, цифровой блок управления контроллером имеет возможность повторить/продемонстрировать перемещения записанных команд как в свободном режиме, так и передавая движения на находящуюся на рукоятке контроллера руке оператора. Thus, the digital control unit of the controller has the ability to repeat / demonstrate the movements of the recorded commands both in free mode and transferring movements to the operator's hand located on the controller handle.
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. Data transmission means 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.
Контроллер оператора служит для управления манипулятора с хирургическими инструментами или камерой. Поэтому любое движение кисти или запястья или руки хирурга приводит к движения манипуляторов или хирургических инструментов. Управляющие сигналы с цифрового блока управления контроллером поступают в систему ЧПУ ассистирующего хирургического комплекса, в цифровой блок управления системой позиционирования манипуляторами и непосредственно в приводные элементы, блоки приводов манипуляторов для приведения их в движение. The operator controller is used to control a manipulator with surgical instruments or a camera. Therefore, any movement of the hand or wrist or hand of the surgeon leads to movement of manipulators or surgical instruments. Control signals from the digital control unit of the controller go to the CNC system of the assisting surgical complex, to the digital control unit of the manipulator positioning system and directly to the drive elements, the manipulator drive units to set them in motion.
Комбинированный манипулятор 4000 (фиг 6), используемый в ассистирующем хирургическом комплексе, представляет собой двухкомпонентный пространственный механизм, а точнее усовершенствованную конструкцию трипода в сочетании с портальным механизмом его линейных перемещений над рабочей областью. Такая гибридная кинематическая схема позволяет создать манипулятор, обладающий необходимой подвижностью и углом поворота выходного звена, на котором в итоге устанавливается хирургический инструмент. The combined manipulator 4000 (Fig. 6), used in the assisting surgical complex, is a two-component spatial mechanism, or rather an improved tripod design in combination with a portal mechanism of its linear movements over the working area. Such a hybrid kinematic scheme makes it possible to create a manipulator with the necessary mobility and the angle of rotation of the output link, on which the surgical instrument is ultimately installed.
В общем случае комбинированный манипулятор 4000 включает механизм 4100, снабженный приводными элементами 4200 (механизм типа «трипод» или трипод) и портальный механизм для обеспечения перемещения механизма 4100 вдоль двух линейных осей, снабженный блоками приводов 4400. При этом приводные элементы 4200 и блоки приводов 4400 выполнены с возможностью передачи данных системе управления роботохирургическим комплексом (системе ЧПУ ассистирующего хирургического комплекса) при перемещении элементов или получения управляющих сигналов от системы управления роботохирургическим комплексом (от системы ЧПУ ассистирующего хирургического комплекса) для перемещения выходного звена манипулятора в требуемую позицию согласно расчетным данным. In general, the combined manipulator 4000 includes a 4100 mechanism equipped with drive elements 4200 (tripod or tripod type mechanism) and a portal mechanism for moving the 4100 mechanism along two linear axes, equipped with drive units 4400. In this case, drive units 4200 and drive units 4400 are made with the possibility of transmitting data to the control system of the robotic surgical complex (CNC system of the assisting surgical complex) when moving elements or receiving control signals from the control system of the robotic surgical complex (from the CNC system of the assisting surgical complex) to move the output link of the manipulator to the required position according to the calculated data.
Трипод 4100 состоит из двух платформ: неподвижной опорной платформы (основания) 4110 и подвижной платформы 4120, которые соединены между собой посредством трех штанг 4130 постоянной длины. Tripod 4100 consists of two platforms: a fixed support platform (base) 4110 and a movable platform 4120, which are interconnected by three rods 4130 of constant length.
Три штанги 4130 соединены одними концами через подшипниковой узел с соответствующими приводными элементами 4200, а другими концами штанги 4130 соединены через шарниры с подвижной платформой 4120. Штанги 4130 представляют собой универсальные валы, а шарниры в предпочтительном варианте изобретения являются карданными шарнирами (шарнирами Гука), которые обеспечивают две степени свободы в точке крепления (две вращательные степени свободы). The three rods 4130 are connected at one end through a bearing assembly with corresponding drive elements 4200, and the other ends of the rod 4130 are connected through hinges to the movable platform 4120. The rods 4130 are universal shafts, and the hinges in the preferred embodiment of the invention are cardan joints (Hooke's hinges), which provide two degrees of freedom at the attachment point (two rotational degrees of freedom).
Механизм 4100 типа «трипод» приводится в движение приводными элементами 4200. Управляя взаимосвязанно тремя приводными элементами 4200 по определенному закону, возможно осуществлять перемещения подвижной платформы 4120 трипода манипулятора в пространстве (два поворота и одно линейное перемещение). Подвижная платформа 4120 трипода является его конечным звеном, следовательно, является выходным звеном трипода. The mechanism 4100 of the "tripod" type is driven by the drive elements 4200. By interconnectedly controlling the three drive elements 4200 according to a certain law, it is possible to move the movable platform 4120 of the manipulator tripod in space (two rotations and one linear movement). The movable platform 4120 of the tripod is its end link, therefore, it is the output link of the tripod.
В некоторых вариантах осуществления манипулятора приводной элемент 4200 может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из- за люфтов. Например, в качестве приводного элемента 4200 может быть использован любой известный сервопривод совместно с безлюфтовым редуктором с нулевым механическим люфтом, например, с безлюфтовым прецизионным редуктором предпочтительно волнового типа или с планетарным редуктором с угловым люфтом менее 6’. In some embodiments of the manipulator, the actuator 4200 may be any known mechanism to reduce loss of accuracy due to backlash. For example, any known servo drive can be used as a drive element 4200 in conjunction with a backlash-free gearbox with zero mechanical backlash, for example, a backlash-free precision gearbox, preferably wave-type, or with a planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 '.
В предпочтительном варианте осуществления приводной элемент 4200 включает динамичный и точный синхронный сервопривод с шарико-винтовой передачей. В зависимости от шага шарико-винтовой передачи можно увеличить или уменьшить передаточное число приводного элемента. In a preferred embodiment, the actuator 4200 includes a dynamic and precise synchronous ball screw servo. Depending on the pitch of the ball screw, the gear ratio of the drive element can be increased or decreased.
Конструкция портального механизма обеспечивает дополнительно два линейных перемещения для трипода 4100 в пространстве - продольное и поперечное. Портальный механизм состоит из модуля поперечного перемещения, по которому в поперечном направлении перемещается трипод 4100, и модуля продольного перемещения, по которому в продольном направлении перемещается модуль поперечного перемещения. Конструкции модулей расположены в параллельных плоскостях. Каждый из модулей выполнен в виде прямоугольной рамы. The design of the portal mechanism provides two additional linear movements for the 4100 tripod in space - longitudinal and transverse. The portal mechanism consists of a transverse movement module, along which tripod 4100 moves in the transverse direction, and a longitudinal movement module, along which a lateral movement module moves in the longitudinal direction. Module structures are located in parallel planes. Each of the modules is made in the form of a rectangular frame.
Блок приводов 4400 портального механизма может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов при работе. The drive unit 4400 of the portal mechanism can be made in the form of any known mechanism that provides a reduction in accuracy losses due to backlash during operation.
В предпочтительном варианте осуществления манипулятора каждая из осей линейного перемещения портального механизма приводится в движение точным синхронным сервоприводом 4410 совместно с ременной передачей. Сервопривод 4410 работает в паре с прецизионным планетарным редуктором 4411. Он необходим для повышения момента двигателя и большей грузоподъемности конструкции. В качестве редуктора 4411 может быть использован любой известный редуктор с нулевым механическим люфтом. В качестве ременной передачи используется полиуретановый зубчатый ремень в паре с зубчатыми шкивами 4412. Данные приводные ремни не растягиваются благодаря запрессованному корду, и таким образом не подвержены остаточной деформации. Удлинение, вызываемое периферийными силами и предварительным натяжением, чрезвычайно мало. Такое решение подходит для передач высокой мощности и обеспечения необходимой точности. In a preferred embodiment of the arm, each of the linear axes of the gantry is driven by a precision synchronous servo 4410 in conjunction with a belt drive. The 4410 servo drive is paired with the 4411 precision planetary gearbox. It is required to increase the motor torque and increase the load capacity of the structure. The 4411 gearbox can be any known zero-backlash gearbox. The belt drive is a polyurethane toothed belt paired with 4412 toothed pulleys. These drive belts are not stretched due to the pressed-in cord, and thus are not subject to permanent deformation. The elongation caused by peripheral forces and pretension is extremely small. This solution is suitable for high power transmissions and the required accuracy.
В результате получается манипулятор, как сочетание кинематического решения в виде механизма трипода 4100 и портального механизма его линейных перемещений. Трипод обладает двумя вращательными и одной поступательной степенью свободы. Поступательное движение (ось Z) обеспечивается благодаря синхронной работе трех серводвигателей в одном направлении. Механизм линейных перемещений трипода обеспечивает дополнительные две степени свободы (по осям X, Y). The result is a manipulator as a combination of a kinematic solution in the form of a 4100 tripod mechanism and a portal mechanism of its linear movements. Tripod possesses two rotational and one translational degree of freedom. The translational movement (Z axis) is ensured by the synchronous operation of three servomotors in the same direction. The mechanism of linear movements of the tripod provides an additional two degrees of freedom (along the X, Y axes).
Таким образом, разработанный манипулятор позволяет наиболее точно, при максимально необходимых углах поворота, при минимальном весе и размере конструкции, обеспечить перемещение выходного звена (подвижной платформы трипода) вокруг удаленного центра движения - точки «0». Thus, the developed manipulator allows the most accurate, with the maximum required angles of rotation, with the minimum weight and size of the structure, to ensure the movement of the output link (movable platform of the tripod) around the remote center of movement - point "0".
На выходное звено комбинированного манипулятора устанавливают хирургический инструмент 4500 (фиг. 7), например, выполненный в виде концевого эффектора 4510 с браншами и приводом 4550 для управления концевым эффектором хирургического инструмента. Привод 4550 закреплен на платформе хирургического инструмента (не показана не чертеже), для передвижения которой по одной линейной оси предусмотрен отдельный приводной элемент 4600. A surgical instrument 4500 (Fig. 7) is mounted on the output link of the combined manipulator, for example, made in the form of an end effector 4510 with jaws and a drive 4550 to control the end effector of the surgical instrument. The actuator 4550 is mounted on a platform of a surgical instrument (not shown in the drawing), for which a separate actuator 4600 is provided for movement along one linear axis.
Приводной элемент 4600 может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов при работе. В предпочтительном варианте осуществления манипулятора платформа хирургического инструмента совместно с хирургическим инструментом приводится в движение линейно точным синхронным сервоприводом 4610 совместно с ременной передачей. Он обеспечивает дополнительный ход по оси Z хирургическому инструменту 4500 в те моменты, когда движение по этой оси благодаря одновременной работе серводвигателей 4210 трипода 4100 будет недостаточным, нежелательным или невозможным. Actuator 4600 can be any known mechanism to reduce loss of accuracy due to backlash during operation. In a preferred embodiment of the manipulator, the platform of the surgical instrument, in conjunction with the surgical instrument, is driven by a linearly accurate synchronous servo drive 4610 in conjunction with a belt drive. It provides an additional Z-stroke to the 4500 surgical instrument when movement along this axis, due to the simultaneous operation of the 4210 servo motors of the 4100 tripod, would be insufficient, undesirable or impossible.
Для осуществления описанного выше линейного перемещения хирургического инструмента 4500 вдоль оси Z к подвижной платформе 4120 трипода жестко присоединяют площадку 4620 с установленной на ней линейной направляющей 4630, по которой с помощью сервопривода 4610 перемещается каретка (не показана на чертеже) с закрепленной на ней платформой хирургического инструмента 4500. To implement the above-described linear movement of the surgical instrument 4500 along the Z axis, the platform 4620 is rigidly connected to the movable platform 4120 of the tripod with a linear guide 4630 installed on it, along which the carriage (not shown in the drawing) with the platform of the surgical instrument fixed to it moves with the help of the servo drive 4610 4500.
Такая кинематическая схема позволяет обеспечить ввод инструмента в тело пациента в точке «0» (точка входа хирургического инструмента в тело пациента) и с помощью разработанного математического аппарата системы управления обеспечить движение всего механизма вокруг этой точки. Such a kinematic scheme allows the insertion of the instrument into the patient's body at point "0" (the point of entry of the surgical instrument into the patient's body) and, using the developed mathematical apparatus of the control system, ensure the movement of the entire mechanism around this point.
При возникновении необходимости движения манипулятора хирург перемещает «ручку» управляющего контроллера оператора. Формируется цифровой сигнал и передается в цифровой блок управления контроллером, а далее в систему ЧПУ ассистирующего хирургического комплекса. Система ЧПУ обеспечивает преобразование координат всех элементов контроллера оператора в координаты исполнительного устройства (манипулятора). Она осуществляет формирование сигналов управления приводами по каждой степени подвижности исполнительного устройства таким образом, чтобы то или иное его движение соответствовало направлению, в котором оператор- хирург воздействовал на механизм управляющего контроллера, и оно было для него интуитивно понятно. Возможные движения комбинированного манипулятора приведены на фиг.8. When it becomes necessary to move the manipulator, the surgeon moves the "handle" of the operator's control controller. A digital signal is generated and transmitted to the digital control unit of the controller, and then to the CNC system of the assisting surgical complex. The CNC system transforms the coordinates of all elements of the operator's controller into the coordinates of the executive device (manipulator). It generates drive control signals for each degree of mobility of the actuator in such a way that one or another of its movement corresponds to the direction in which the operator is the surgeon acted on the mechanism of the control controller, and it was intuitive for him. Possible movements of the combined manipulator are shown in Fig. 8.
Блоки приводов (приводные элементы) манипулятора и хирургического инструмента связаны с системой ЧПУ. Они сопряжены посредством общей шины передачи данных. Система ЧПУ выполнена с возможностью записи данных о получаемых командах. 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, NFS, Ethernet и т.п. The drive units (drive elements) of the manipulator and the surgical instrument are connected to the CNC system. They are linked via a common data bus. The CNC system is made with the ability to record data on the received commands. Data transmission media 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, NFS, Ethernet etc.
Система оценки сил. Force assessment system.
Для измерения сил, воздействующих на хирургический инструмент в процессе проведения роботохирургической операции, и передачи информации, содержащей результаты измерений, в комплексе используется система оценки сил. Система является составной частью исполнительного механизма робот-ассистированного хирургического комплекса и реализует функционал измерения для реализации комплексом тактильной обратной связи. Система оценки сил, используемая в контуре силовой обратной связи, должна обладать следующими функциями: To measure the forces acting on a surgical instrument in the process of carrying out a robotic surgery, and to transmit information containing the measurement results, the complex uses a force assessment system. The system is an integral part of the actuator of the robot-assisted surgical complex and implements the measurement functionality for the implementation of tactile feedback by the complex. The force evaluation system used in the force feedback loop should have the following functions:
• Измерение данных прикладываемых к инструменту сил с использованием нескольких многоосевых тензометрических датчиков; • Measurement of data of forces applied to the tool using several multi-axis strain gauges;
• Первичная обработка данных о прикладываемых силах с обеспечением условия ограничения частотных характеристик сигналов с целью уменьшения измерительных шумов и подавления влияния электромагнитных наводок; • Primary processing of data on applied forces with the provision of conditions for limiting the frequency characteristics of signals in order to reduce measurement noise and suppress the influence of electromagnetic interference;
• Передача обработанных данных в режиме реального времени на вышестоящую систему управления с использованием проводного или беспроводного интерфейса связи. • Transmission of processed data in real time to a higher-level control system using a wired or wireless communication interface.
На фиг. 9 приведено схематическое изображение конструкции крепления хирургического инструмента. Конструкция крепления представляет собой опору, сконфигурированную для расположения и закрепления на ней троакара и закрепления инструмента путем закрепления привода инструмента. Для точного позиционирования инструмента в конструкции крепления используется держатель троакара. На фиг. 9 цифрами обозначены следующие конструктивные элементы: 5100 - трехосевой тензометрический датчик (верхний тензометрический датчик); 5200 - трехосевой тензометрический датчик (нижний тензометрический датчик); 5300 - держатель троакара. Принятые обозначения на фиг. 9: 01 - точка ввода троакара в тело пациента, вокруг которой осуществляются два поворота введенного в троакар инструмента во время операции (нулевая точка), точка находится внутри троакара, А - положение конца хирургического инструмента, который вводится в тело пациента, В - положение противоположного конца хирургического инструмента, установленного в привод хирургического инструмента. Углы ориентации (углы вращения) хирургического инструмента в горизонтальной плоскости и наклона рассматриваются относительного точки вращения (нулевая точка). Нулевая точка 01 определяется как начало отсчета. FIG. 9 is a schematic illustration of a surgical instrument attachment structure. The mount design is a support configured to position and secure the trocar to it and secure the instrument by securing the instrument drive. For precise positioning of the instrument, a trocar holder is used in the mount design. FIG. 9 numbers indicate the following structural elements: 5100 - three-axis strain gauge (upper strain gauge); 5200 - three-axis strain gauge (bottom strain gauge); 5300 - trocar holder. The designations adopted in FIG. 9: 01 is the point of insertion of the trocar into the patient's body, around which two rotations of the instrument inserted into the trocar are made during the operation (zero point), the point is inside the trocar, A is the position of the end of the surgical instrument that is inserted into the patient's body, B is the position of the opposite the end of the surgical instrument installed in the surgical instrument drive. Angles of orientation (angles of rotation) of the surgical instrument in the horizontal plane and tilt are considered relative to the pivot point (zero point). Zero point 01 is defined as the origin.
Механическое взаимодействие элементов инструмента, конструкции крепления хирургического инструмента и элементов манипулятора реализуется через два многоосевых тензометрических датчика, один из которых расположен на одном конце инструмента под приводом инструмента, а другой - в месте закрепления троакара. Расположение тензометрических датчиков представлено на фиг.9. The mechanical interaction of the elements of the instrument, the structure of the fastening of the surgical instrument and the elements of the manipulator is realized through two multi-axis strain gauges, one of which is located at one end of the instrument under the instrument drive, and the other at the place where the trocar is fixed. The location of the strain gauges is shown in FIG. 9.
Такое расположение тензометрических датчиков обладает следующими преимуществами: This arrangement of strain gauges has the following advantages:
• Физическое отдаление чувствительных элементов датчиков от зоны помех электрокоагуляции; • Physical distance of the sensitive elements of the sensors from the electrocoagulation interference zone;
• Предоставляет возможность использования различных инструментов без изменения их конструкции; • Provides the ability to use various tools without changing their design;
• Позволяет производить оценку сил по нескольким степеням свободы. • Allows you to evaluate forces in several degrees of freedom.
В качестве многоосевых тензометрических датчиков могут быть применены датчики изгиба на основе тензорезисторов, емкостные датчики деформации или датчики любого иного принципа действия, позволяющие произвести измерение приложенного к ним усилия. As multi-axis strain gauges, bending gauges based on strain gages, capacitive strain gauges or gauges of any other principle of operation can be used, which make it possible to measure the force applied to them.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве тензометрических датчиков могут быть использованы датчики деформации с чувствительным элементом в виде тензорезистора. Датчики такого типа обладают высоким выходным сопротивлением, а сигнал имеет малую мощность, что ограничивает его распространение в пространстве. In a preferred embodiment of the invention, strain gauges with a sensitive element in the form of a strain gauge can be used as strain gauges. Sensors of this type have a high output impedance, and the signal has a low power, which limits its propagation in space.
Конструкция позволяет реализовать следующие возможности: The design allows you to implement the following features:
• Производить оценку сил, действующих на инструмент как минимум в пяти степенях свободы с использованием двух трехосевых тензометрических датчиков (три линейные степени свободы вдоль осей X, U, Z и вращательные моменты вокруг осей X и Y); • Assess the forces acting on the tool in at least five degrees of freedom using two three-axis strain gauges (three linear degrees of freedom along the X, U, Z axes and rotational moments around the X and Y axes);
• Производить оценку усилия захвата (усилия сжатия), контролируя одну степень свободы (степень свободы при захвате, сжатии исполнительных поверхностей хирургического инструмента); • Evaluate the gripping force (compression force), controlling one degree of freedom (the degree of freedom when gripping, compressing the executive surfaces of the surgical instrument);
• Производить оценку вращательной/скручивающей силы, действующей на инструмент (три вращательные степени свободы вокруг осей X, Y, Z); • Assess the rotational / twisting force acting on the tool (three rotational degrees of freedom around the X, Y, Z axes);
• При оценке сил учитывать силы, возникающие в месте контакта троакара с телом пациента; • When evaluating forces, take into account the forces arising at the point of contact of the trocar with the patient's body;
• Обеспечивать достаточную достоверность данных об усилиях в условиях электромагнитных помех, создаваемых электрокоагуляцией. • Ensure sufficient reliability of effort data in the presence of electromagnetic interference from electrocoagulation.
Во время работы исполнительные поверхности, расположенные на конце инструмента, введенного в тело пациента (исполнительная часть инструмента), совершают сложные движения, инициируемые и контролируемые хирургом. При возникновении сопротивления движению исполнительной части инструмента или при соприкосновении частей инструмента с тканью пациента возникает изгиб чувствительного элемента тензометрического датчика по соответствующей оси. Так как инструмент, располагаясь в конструкции крепления хирургического инструмента, контактирует с манипулятором в двух точках, одной из которых является зона расположения троакара, а другая - зона расположения привода хирургического инструмента, то выполняется измерение усилий в обоих точках и дальнейшая совместная обработка данных сигналов. During operation, the executive surfaces located at the end of the instrument inserted into the patient's body (the executive part of the instrument) perform complex movements initiated and controlled by the surgeon. When resistance to the movement of the executive part of the tool occurs or when parts of the tool come into contact with the fabric of the patient, a bending of the sensitive element of the strain gauge along the corresponding axis occurs. Since the instrument, located in the fastening structure of the surgical instrument, contacts the manipulator at two points, one of which is the trocar location zone, and the other is the location of the surgical instrument drive, the effort is measured at both points and further joint processing of these signals.
Выходы тензометрических датчиков подключены непосредственно к модулям цифровой обработки, которые производят усиление сигналов и их перевод в цифровую форму. Модули цифровой обработки могут быть расположены непосредственно возле тензометрических датчиков. Указанное расположение не является обязательным и может быть изменено при необходимости, например, при использовании тензометрических датчиков с платой усиления сигнала. Однако, расположение модуля цифровой обработки сигналов тензометрических датчиков в непосредственной близости к каждому используемому тензометрическому датчику является предпочтительным, так как обеспечивается высокое отношение сигнал-шум и устойчивость к внешним электромагнитным возмущениям. The outputs of the strain gauges are connected directly to the digital processing modules, which amplify the signals and convert them into digital form. The digital processing modules can be located directly next to the strain gauges. The specified location is optional and can be changed if necessary, for example, when using strain gauges with a signal amplification board. However, the location of the digital signal processing module of strain gauges in close proximity to each used strain gauge is preferable, since it provides a high signal-to-noise ratio and resistance to external electromagnetic disturbances.
Для измерения силы захвата/сжатия на исполнительных поверхностях хирургического инструмента, например, браншей, могут быть использованы датчики силы тока для двигателей, реализующих захват/сжатие. Принцип измерения усилия сжатия заключается в увеличении потребления тока двигателями при возникновении сопротивления движению захватывающих элементов конструкции инструмента. Двигатели, реализующие сжатие, являются частью привода хирургического инструмента. To measure the gripping / squeezing force on the actuating surfaces of a surgical instrument, such as jaws, current sensors for gripping / squeezing motors can be used. The principle of measuring the compression force is to increase the current consumption of the motors when resistance to the movement of the gripping elements of the tool structure occurs. Compression motors are part of the drive of the surgical instrument.
Для измерения вращательного момента вокруг оси Z может быть применен датчик тока электродвигателя, обеспечивающего вращения вокруг данной оси. Принцип измерения вращательного момента заключается в увеличении потребляемого электродвигателем тока при возникновении сопротивления движению. Двигатели, реализующие вращение вокруг оси Z, являются частью привода хирургического инструмента. To measure the torque around the Z axis, an electric motor current sensor can be used, which provides rotation around this axis. The principle of torque measurement is to increase the current consumed by the electric motor when resistance to movement occurs. The motors that rotate around the Z axis are part of the drive for the surgical instrument.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве двигателей используют электрические двигатели (электродвигатели). Каждый из датчиков тока двигателей привода хирургического инструмента может быть соединен с системой управления электродвигателем. In a preferred embodiment of the invention, electric motors (electric motors) are used as motors. Each of the current sensors of the surgical instrument drive motors can be connected to a motor control system.
Модули цифровой обработки и системы управления электродвигателем соединены с модулем обработки за счет шины данных. Шина данных может представлять собой интерфейс RS485, CAN, Bluetooth или какой-либо другой проводной или беспроводной интерфейс передачи данных. Модуль обработки предназначен для групповой обработки и синхронизации сигналов от тензометрических датчиков, датчика вращательного момента и датчика усилия захвата. Использование отдельного устройства в качестве модуля обработки не является обязательным. Он может быть совмещен с каким-либо модулем цифровой обработки или с системой управления. Система управления (система ЧПУ ассистирующего хирургического комплекса) использует данные, полученные от модуля обработки для дальнейшей организации обратной связи и передачи сигналов хирургу. Архитектура системы оценки сил представлена на фиг. 10. The digital processing modules and motor control systems are connected to the processing module via a data bus. The data bus can be RS485, CAN, Bluetooth, or some other wired or wireless data interface. The processing module is designed for group processing and synchronization of signals from strain gauges, torque transducer and gripping force transducer. The use of a separate device as a processing unit is optional. It can be combined with any digital processing module or with a control system. The control system (CNC system of the assisting surgical complex) uses the data received from the processing module to further organize feedback and transmit signals to the surgeon. The architecture of the force assessment system is shown in FIG. ten.
Данные с модуля обработки данных поступают на систему управления роботохирургическим комплексом (система ЧПУ ассистирующего хирургического комплекса) и передаются в цифровой блок управления контроллером хирурга. Data from the data processing module goes to the control system of the robotic surgical complex (CNC system of the assisting surgical complex) and is transmitted to the digital control unit of the surgeon's controller.
Хирург удерживает в руках контроллер и, перемещая его, формирует цифровой сигнал, с помощью которого через систему управления роботохиругическим комплексом и манипулятор происходит управление инструментом. При соприкосновении инструмента с тканями пациента или троакаром возникают силы, воздействующие на инструмент. Система оценки сил определяет эти силы, преобразует информацию в цифровой сигнал, который через систему управления роботохирургическим комплексом в обратном порядке передается на контроллер хирурга. Контроллер хирурга устроен таким образом, что получает эти сигналы и преобразовывает их в механические движения контроллера по направлению, противоположному движениям руки хирурга, управляющей инструментом. The surgeon holds the controller in his hands and, moving it, generates a digital signal, with the help of which the instrument is controlled through the control system of the robotic-surgical complex and the manipulator. When the instrument comes into contact with the patient's tissue or trocar, forces are generated that act on the instrument. The force assessment system determines these forces, converts the information into a digital signal, which is transmitted to the surgeon's controller in the reverse order through the control system of the robotic surgical complex. The surgeon's controller is designed in such a way that it receives these signals and converts them into mechanical movements of the controller in the direction opposite to the movements of the surgeon's hand controlling the instrument.
Возникающее сопротивление создает на руке ощущение, как если бы она касалась тканей. Интуитивно понятное и совпадающее с движениями руки перемещение инструмента, а также осязание касания инструментом тканей создает у хирурга ощущения, что он во время операции на роботохирургическом комплексе удерживает инструмент непосредственно в руке. The resulting resistance creates a sensation on the hand as if it were touching tissue. The intuitive movement of the instrument, which coincides with the movements of the hand, as well as the sense of touching the tissue with the instrument, makes the surgeon feel that he is holding the instrument directly in the hand during the operation on the robotic system.
Система позиционирования манипуляторами. Positioning system by manipulators.
Система позиционирования манипуляторами обеспечивает крепление манипуляторов к операционному столу и увеличивает количество возможных позиций манипулятора относительно пациента, и, кроме того, позволяет убирать манипуляторы из операционной зоны в кратчайшие сроки в автоматизированном или ручном режиме. The manipulator positioning system ensures the attachment of manipulators to the operating table and increases the number of possible positions of the manipulator relative to the patient, and, in addition, allows the manipulators to be removed from the operating area in the shortest possible time in an automated or manual mode.
Крепежный механизм (см Фиг. 11) системы позиционирования манипуляторов к хирургическому столу, в целом, представляет собой два фартука 6007, каждый из которых имеет возможность крепиться к стороне хирургического стола съемным образом так, чтобы на противоположных сторонах стола было по одному фартуку 6007 (дальнейшее описание конструкции системы идет в отношении одного из фартуков, при этом конструкция второго фартука и его систем идентична). The fastening mechanism (see Fig. 11) of the positioning system of manipulators to the surgical table, in general, consists of two aprons 6007, each of which has the ability to be attached to the side of the surgical table in a removable manner so that on opposite sides of the table there is one apron 6007 (further the description of the system design refers to one of the aprons, while the design of the second apron and its systems is identical).
В целом на одном фартуке 6007 можно установить по меньшей мере одну гитару 6006, а на ней по меньшей мере одну телескопическую вертикальную колонну 6008, на каждой из которых размещена своя рука позиционирования (механизм позиционирования) с закрепленным манипулятором (на чертеже не показан). На Фиг. 11 приведен пример с одной колонной 6008 и соответственно с одной рукой позиционирования. Подробное описание вышеуказанных элементов приведено ниже. In general, at least one guitar 6006 can be mounted on one apron 6007, and on it at least one telescopic vertical column 6008, each of which has its own positioning arm (positioning mechanism) with a fixed manipulator (not shown). FIG. 11 shows an example with one column 6008 and correspondingly with one positioning arm. Detailed description of the above items given below.
На фартуке 6007 вертикально относительно стола закреплены направляющие 6011, которые служат для вывода манипуляторов из зоны хранения в рабочую зону и вдоль которых вертикально перемещается горизонтальный элемент 6006, который в дальнейшем в материалах заявки будет называться «гитара» 6006. On the apron 6007, guides 6011 are fixed vertically relative to the table, which serve to bring the manipulators out of the storage area to the working area and along which the horizontal element 6006 moves vertically, which in the following will be referred to as "guitar" 6006 in the materials of the application.
Гитара 6006 с одной стороны прикрепляется к установочной платформе, а с другой стороны снабжена направляющими 6012. Установочная платформа 6022 соединена с соответствующими каретками, установленными на направляющих 6011 фартука 6007. Установочная платформа может перемещаться по направляющим 6011 фартука 6007 под воздействием привода любого типа (электрический, гидравлический, пневматический и др.). Привод на фиг. 11 не показан. Направляющие 6012 гитары 6006 установлены на протяжении всей длины гитары 6006. Guitar 6006 is attached on one side to the installation platform, and on the other side is equipped with rails 6012. The installation platform 6022 is connected to the corresponding carriages mounted on the rails 6011 of the apron 6007. The installation platform can be moved along the rails 6011 of the apron 6007 under the influence of any type of actuator (electric, hydraulic, pneumatic, etc.). The drive in FIG. 11 is not shown. Guitar 6006 Guides 6012 are installed along the entire length of 6006.
На гитаре 6006 расположена по меньшей мере одна вертикальная колонна 6008, которая выполнена с возможностью горизонтального перемещения вдоль гитары 6006. Вертикальная колонна 6008 представляет собой телескопическую двухкомпонентную стойку. Причем компоненты стойки идентичны и симметричны. Компонент, ориентированный в сторону гитары 6006, является внутренней стороной вертикальной колонны 6008, а компонент, ориентированный в сторону от хирургического стола, является лицевой стороной вертикальной колонны. Каждая сторона снабжена направляющими, простирающимися вдоль всей длины вертикальной колонны 6008, и приводными механизмами в виде шарико-винтовой передачи 6013 с приводом 6009. На внутреннею сторону колонны 6008 установлены одни направляющие, а на лицевую сторону колонны 6008 установлены направляющие 6016. Guitar 6006 has at least one vertical column 6008 that is horizontally movable along the guitar 6006. The vertical column 6008 is a telescopic two-piece stand. Moreover, the components of the rack are identical and symmetrical. The component facing towards the guitar 6006 is the inside of the vertical column 6008, and the component facing away from the surgical table is the face of the vertical column. Each side is provided with guides extending along the entire length of the vertical column 6008 and ball screw drives 6013 with actuator 6009. On the inner side of the column 6008, some guides are installed, and on the front side of the column 6008, guides 6016 are installed.
Вертикальная колонна 6008 соединена с гитарой 6006 следующим образом. На направляющих 6012 гитары 6006 установлены каретки 6010. На каретках 6010 установлен соединительный модуль 6015, выполняющий функцию перемещения системы позиционирования вдоль хирургического стола. Соединительный модуль 6015 состоит из двух частей, которые между собой образуют надежное, жесткое быстросъемное соединение. Соединительный модуль 6015 с одной стороны крепится на каретки 6010, а с другой стороны соединительного модуля 6015 на него крепятся каретки 6014. Каретки 6014 входят в направляющие, которые в свою очередь установлены на внутренней стороне вертикальной колонны 6008. Вертикальная колонна 6008 перемещается по горизонтали за одно целое с соединительным модулем 6015 по направляющим 6012 гитары 6006 под воздействием приводного механизма, выполненного в виде привода 6009 и шарико-винтовой передачи (ШВП) 6013, расположенных на гитаре. The vertical column 6008 is connected to the guitar 6006 as follows. The carriages 6010 are mounted on the guides 6012 of the guitar 6006. The carriages 6010 are equipped with a connecting module 6015, which performs the function of moving the positioning system along the surgical table. The 6015 connection module consists of two parts, which together form a reliable, rigid, quick-release connection. Connecting module 6015 is attached on one side to the carriages 6010, and on the other side of the connecting module 6015, carriages 6014 are attached to it. The carriages 6014 fit into the guides, which in turn are mounted on the inner side of the vertical column 6008. The vertical column 6008 moves horizontally in one whole with the connecting module 6015 along the guides 6012 of the guitar 6006 under the influence of a drive mechanism made in the form of a drive 6009 and a ball screw (ball screw) 6013 located on the guitar.
На вертикальной колонне 6008 закреплен посредством соединительного элемента 6004 механизм позиционирования на последовательной структуре, который состоит из двух консолей и поворотной площадки 6003 крепления и позиционирования манипулятора 6018 (см. Фиг.12). Соединительный элемент 6004 прикреплен через направляющие 6016 на лицевой стороне колонны 6008 таким образом, что образует кинематическую пару с механизмом позиционирования на последовательной структуре. При этом в сочленении элемента 6004 и консоли 6002 находятся несколько независимых приводов с датчиками положения, а в сочленении консоли 6002 и консоли 6005 также находятся несколько независимых приводов с датчиками положения. Перечисленные приводы образуют блок приводов 6017. В сочленении консоли 6005 и площадки 6003 также находится независимый привод с датчиками положения. Соединительный элемент 6004, благодаря кареткам, имеет возможность совершать вертикальные поступательные движения вдоль направляющих 6016 на лицевой стороне вертикальной колонны 6008, а сама колонна 6008 имеет возможность перемещаться вертикально вдоль соединительного модуля 6015 по направляющим. Движения могут выполняться совместно или попеременно. On the vertical column 6008, a positioning mechanism on a series structure is fixed by means of a connecting element 6004, which consists of two consoles and a turntable 6003 for attaching and positioning a manipulator 6018 (see Fig. 12). Connector 6004 is attached through rails 6016 on the front of the column 6008 in such a way that it forms a kinematic pair with a positioning mechanism on a sequential structure. In this case, the joint of the element 6004 and the console 6002 contains several independent actuators with position sensors, and in the joint of the console 6002 and the console 6005 there are also several independent actuators with position sensors. The listed drives form the drive unit 6017. The joint of the console 6005 and the platform 6003 also contains an independent drive with position sensors. The connecting element 6004, thanks to the carriages, has the ability to make vertical translational movements along the guides 6016 on the front side of the vertical column 6008, and the column 6008 itself has the ability to move vertically along the connecting module 6015 along the guides. The movements can be performed jointly or alternately.
Позиционирующий механизм манипулятора осуществляет перемещение в плоскости хирургического стола, поворачиваясь относительно соединительного элемента. Поворотные консоли 6002 и 6005 выполнены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости таким образом, чтобы консоль 6002, находясь над поверхностью хирургического стола в рабочем положении, совершала полный оборот на 360 градусов и имела возможность ограниченного поворота под поверхностью стола в нерабочем состоянии. На указанной консоли 6005 установлен узел крепления и позиционирования 6003 манипулятора 6018 с хирургическим инструментом, выполненный с возможностью поворота вокруг своей оси для приведения манипулятора 6018 в рабочее положение (см. Фиг.12). The positioning mechanism of the manipulator carries out movement in the plane of the surgical table, turning relative to the connecting element. Swivel arms 6002 and 6005 are rotatable in a horizontal plane so that the arm 6002, being above the surface of the surgical table in the working position, makes a full 360-degree rotation and has the possibility of limited rotation below the surface of the table when inoperative. On the specified console 6005 there is a mounting and positioning assembly 6003 of the manipulator 6018 with a surgical instrument, made with the possibility of rotation around its axis to bring the manipulator 6018 into the working position (see Fig. 12).
Приводные механизмы могут быть выполнены в виде любого известного механизма, обеспечивающего линейные перемещения и обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов. В предпочтительном варианте осуществления системы позиционирования манипуляторов за все описанные выше перемещения по направляющим отвечают шарико-винтовые передачи (ШВП) 6013, которые приводят в движения сервомоторы 6009, каждый из которых соединен со своей передачей. The drive mechanisms can be made in the form of any known mechanism that provides linear movements and reduces the loss of accuracy due to backlash. In a preferred embodiment of the manipulator positioning system, all of the slide movements described above are controlled by ball screws (ball screws) 6013, which drive servomotors 6009, each of which is connected to its own gear.
В качестве блока приводов 6017 используется сервопривод в паре с любыми известными редукторами с нулевым механическим люфтом, например, безлюфтовые планетарные редукторы. Такие приводные механизмы, используемые на поворотных осях в конструкции механизма, обеспечивают высокую точность позиционирования манипуляторов. For the 6017 drive unit, a servo drive is used in conjunction with any known gearboxes with zero mechanical backlash, for example, backlash-free planetary gearboxes. Such drive mechanisms, used on the rotary axes in the structure of the mechanism, ensure high positioning accuracy of the manipulators.
Совокупность движений всего механизма обеспечивает необходимое перемещение системы позиционирования по вертикальной плоскости боковой поверхности хирургического стола и осуществляет возврат манипуляторов в зону хранения. The combination of movements of the entire mechanism provides the necessary movement of the positioning system along the vertical plane of the lateral surface of the surgical table and returns the manipulators to the storage area.
Преимущество такого исполнения состоит в обеспечении линейных движений по боковой поверхности хирургического стола, осуществлении необходимого для позиционирования манипулятора объёма движения и в создании конструкцией жесткого каркаса для достижения высокой точности. Такая компоновка линейных перемещений обеспечивает большой охват операционного поля, при этом имеет более компактный габаритный размер всего механизма позиционирования . The advantage of this design is to provide linear movements along the lateral surface of the surgical table, to implement the amount of movement required for positioning the manipulator, and to create a rigid frame by the structure to achieve high accuracy. This arrangement of linear movements provides a large coverage of the operating field, while it has a more compact overall size of the entire mechanism positioning.
Система компенсации работы камеры. Camera compensation system.
В одном из манипуляторов ассистирующего хирургического комплекса закреплена камера для наблюдения за операционным полем в процессе хирургической операции. Изображение оперируемой области, транслируемое стереоскопической камерой, доступно хирургу на мониторе системы визуализации. In one of the manipulators of the assisting surgical complex, a camera is fixed for observing the operating field during the surgical operation. The image of the operated area, broadcast by a stereoscopic camera, is available to the surgeon on the monitor of the imaging system.
Камера широко определяется в данной заявке как любое устройство, структурно сконфигурированное с возможностью формирования стереоизображения, будучи введенной в тело пациента. Изображение операционного поля может быть получено оптически с помощью волоконной оптики, объективов и миниатюризированных систем формирования изображений, например, с помощью видеоэндоскопа (далее - эндоскоп). A camera is broadly defined in this application as any device structurally configured to generate a stereo image when inserted into a patient's body. An image of the operating field can be obtained optically using fiber optics, objectives and miniaturized imaging systems, for example, using a video endoscope (hereinafter referred to as an endoscope).
Камера вводится в организм через отверстие в теле пациента. Точка/плоскость входа определяется как «нулевая точка», поскольку все перемещения инструмента или камеры в теле пациента обеспечиваются двумя вращательными степенями свободы относительно этой точки и одной линейной степенью свободы. В «нулевой точке» располагается троакар для дополнительной фиксации инструментов и камеры. Также существует «нулевая точка камеры» в локальной системе координат камеры, относительно которой изменяет свое положение вектор положения камеры с началом в «нулевой точке» и с концом, совпадающим с фактическим положением конца камеры. У камеры есть поле обзора, зависящее от характеристик объектива камеры. Камера передает изображение только той части операционного поля, которая попала в поле обзора. The camera is inserted into the body through an opening in the patient's body. The entry point / plane is defined as the "zero point" since all movements of the instrument or camera in the patient's body are provided by two rotational degrees of freedom about this point and one linear degree of freedom. A trocar is located at the “zero point” for additional fixation of instruments and a camera. There is also a "zero point of the camera" in the local coordinate system of the camera, relative to which the position vector of the camera changes its position with the beginning at the "zero point" and with the end coinciding with the actual position of the end of the camera. The camera has a field of view that depends on the characteristics of the camera lens. The camera transmits an image of only that part of the surgical field that fell into the field of view.
Поле зрения камеры может иметь область, сконфигурированную для того, чтобы быть видимой камерой в любой момент времени. The camera's field of view can have an area configured to be visible to the camera at any given time.
Когда камера движется, область поля зрения перемещается вместе с камерой, что позволяет визуально обследовать операционную область. От особенностей перемещения камеры зависит и изменение области видимости. При этом хирургу должна быть гарантирована однозначность в понимании перемещения камеры и связанного с этим перемещения/изменения поля зрения в пределах операционного поля. As the camera moves, the field of view moves with the camera, allowing you to visually inspect the operating area. The change in the field of view also depends on the peculiarities of camera movement. In this case, the surgeon must be guaranteed unambiguity in understanding the movement of the camera and the associated movement / change of the field of view within the operating field.
Система автоматического управления (система ЧПУ ассистирующего хирургического комплекса) выполнена с возможностью реализовывать компенсацию движения камеры, а именно реализовывать способ для управления перемещением камерного манипулятора, входящего в состав роботизированной хирургической системы для уменьшения количества перемещений стереокамеры, визуализирующей хирургическую область, в операционном поле. The automatic control system (CNC system of the assisting surgical complex) is configured to compensate for camera movement, namely, to implement a method for controlling the movement of a chamber manipulator, which is part of a robotic surgical system to reduce the number of movements of a stereo camera that visualizes the surgical area in the operating field.
Детальные шаги заявленного способа представлены ниже. The detailed steps of the claimed method are presented below.
Локальная система координат, связанная с контроллером управления, содержит информацию о положении контроллера в виде трех поступательных декартовых координат D = \°x] \Rx] The local coordinate system associated with the control controller contains information about the position of the controller in the form of three translational Cartesian coordinates D = \ ° x] \ R x]
DY и трех вращательных координат R = Ry D Y and three rotational coordinates R = Ry
Wz\ VRz \ W z \ V R z \
От правого контроллера хирурга (контроллера оператора) в систему автоматического управления передаются вектора Rr, Dr. ОТ левого контроллера хирурга в систему автоматического управления передаются вектора RL, DL. From the right controller of the surgeon (operator's controller) vectors R r , D r are transmitted to the automatic control system. The vectors R L , D L are transmitted from the left controller of the surgeon to the automatic control system.
При нажатии педали управления камерным манипулятором включается режим управления камерой, сигнал с педали передается не только в систему автоматического управления, но и в контроллеры, которые блокируют вращательные степени свободы, а вектора RR И RL обнуляются: When you press the camera manipulator control pedal, the camera control mode is activated, the signal from the pedal is transmitted not only to the automatic control system, but also to the controllers that block the rotational degrees of freedom, and the R R and R L vectors are reset to zero:
Rx = RY = Rz = 0, отсюда следует, что
Figure imgf000038_0001
R x = R Y = R z = 0, it follows that
Figure imgf000038_0001
Ό Ό
Rr = R L 0 0 R r = RL 0 0
Для управления камерным манипулятором достаточно трех поступательных степеней свободы, описываемых вектором D. To control the camera manipulator, three translational degrees of freedom are sufficient, described by the vector D.
Полученные системой автоматического управления вектора обрабатываются с использованием алгоритма дифференцирования и объединения движения. Управление осуществляется при помощи относительного перемещения контроллера с момента начала управления камерой, инициализированного нажатием на педаль. Таким образом, увеличивается гибкость системы управления.
Figure imgf000038_0002
The vectors obtained by the automatic control system are processed using the algorithm for differentiating and combining motion. Control is carried out using the relative movement of the controller from the moment the camera starts control, initialized by pressing the pedal. Thus, the flexibility of the control system is increased.
Figure imgf000038_0002
Управление камерой осуществляется обоими контроллерами одновременно. Таким образом, далее суммируется относительное перемещение каждого из контроллеров:
Figure imgf000038_0003
The camera is controlled by both controllers at the same time. Thus, the following summarizes the relative movement of each of the controllers:
Figure imgf000038_0003
Полученный вектор AD можно масштабировать, инвертировать, вращать вокруг ортогональных осей, составлять композиции поворотов. Любую из перечисленных математических оп рации можно осуществить при помощи векторного произведения. The resulting AD vector can be scaled, inverted, rotated around orthogonal axes, and composited with turns. Any of the listed mathematical operations can be performed using a cross product.
Далее осуществляют масштабирование. Масштабирование представляет собой векторное произведение AD и строки S = [5^, SY, S ] содержащей коэффициенты масштабирования для каждой координаты.
Figure imgf000039_0001
Further scaling is carried out. Scaling is a cross product of AD and the line S = [5 ^, S Y , S] containing the scaling factors for each coordinate.
Figure imgf000039_0001
Операция масштабирования происходит в блоке масштабирования и интегрирования. Полученное на предыдущем этапе отмасштабированное приращение сигналов контроллеров хирурга прибавляется к текущему положению камерного манипулятора в его локальной декартовой системе координат.
Figure imgf000039_0002
The scaling operation takes place in the scaling and integration unit. The scaled increment of signals from the surgeon's controllers obtained at the previous stage is added to the current position of the camera manipulator in its local Cartesian coordinate system.
Figure imgf000039_0002
Таким образом, в блок компенсации движения в плоскости поступает расчетное положение камерного манипулятора в локальной декартовой системе координат. Thus, the in-plane motion compensation unit receives the calculated position of the camera manipulator in the local Cartesian coordinate system.
Для управления манипулятором необходимо перевести рассчитанные декартовы координаты в сферические. В связи с этим важны операции перевода векторов из одной системы координат в другую. Перевод из декартовой в сферическую систему координат осуществляется следующими алгебраическими преобразованиями:
Figure imgf000039_0003
To control the manipulator, it is necessary to convert the calculated Cartesian coordinates into spherical ones. In this regard, the operations of transferring vectors from one coordinate system to another are important. Conversion from Cartesian to spherical coordinate system is carried out by the following algebraic transformations:
Figure imgf000039_0003
Помимо алгоритма компенсации движения манипулятора в плоскости, необходимо также реализовать алгоритм сопоставления линии горизонта со средней линией кадра, заключающийся в вычислении величины угла расхождения между линией горизонта и средней линией кадра, зависящей от углов наклона f и Q. Расхождение средней линии кадра с линией горизонта вычисляется в блоке компенсации горизонта согласно формуле:
Figure imgf000039_0004
In addition to the algorithm for compensating for the manipulator's movement in the plane, it is also necessary to implement an algorithm for comparing the horizon line with the middle line of the frame, which consists in calculating the angle of divergence between the horizon line and the midline of the frame, depending on the tilt angles f and Q. The divergence of the center line of the frame with the horizon line is calculated in the horizon compensation block according to the formula:
Figure imgf000039_0004
На заключительном этапе способа полученные данные одновременно передают на блок управления движениями манипулятора с закрепленной на нем камерой, для ее перемещения внутри пациента с целью отображения операционного поля. При этом манипулятор с камерой осуществляет как поступательные движения для компенсации движения камеры и контроллеров управления, так и поворот вокруг своей продольной оси для нивелирования линии горизонта и средней линии кадра получаемого с камеры изображения. Перечисленные выше этапы предлагаемого способа, осуществляемые с помощью автоматической системы управления камерным манипулятором, описаны согласно блок-схеме, представленной на фигуре 13. At the final stage of the method, the obtained data is simultaneously transmitted to the manipulator movement control unit with a camera attached to it, for its movement inside the patient in order to display the operating field. In this case, the manipulator with the camera carries out both translational movements to compensate for the movement of the camera and controllers, and rotation around its longitudinal axis to level the horizon line and the center line of the frame of the image obtained from the camera. The above stages of the proposed method, carried out using an automatic control system chamber manipulator are described according to the block diagram shown in FIG. 13.
Сначала получают данные о перемещении правого и левого контроллеров управления хирурга. На следующем этапе определяют, поступал ли сигнал с педали. В том случае, если на систему автоматического управления поступает сигнал с педали, переключающей контроллеры в режим управления камерой, инициируется сигнал о начале работы системы автоматического управления камерным манипулятором. First, data is obtained on the movement of the right and left controllers of the surgeon. In the next step, it is determined whether the signal came from the pedal. In the event that a signal is sent to the automatic control system from the pedal that switches the controllers to the camera control mode, a signal is initiated to start the operation of the automatic control system of the camera manipulator.
На следующем этапе актуальные данные, поступившие с контроллера, поступают последовательно в вычислительный блок производных для правого и левого контроллеров, по приращению которых находится суммарное перемещение. At the next stage, the actual data received from the controller are sequentially sent to the computing unit of derivatives for the right and left controllers, the increment of which is the total displacement.
На следующем этапе данное перемещение обязательно масштабируют с учетом отдаления эндоскопа от нулевой точки. At the next stage, this movement must be scaled taking into account the distance of the endoscope from the zero point.
Далее происходит интегрирование полученного приращения с позицией манипулятора в его декартовой системе координат. Данная скомпенсированная плоскость движения переводится в сферические координаты манипулятора f,q, R, на основе которых на следующем этапе вычисляют величину компенсации линии горизонта Rz comp . Полученный набор данных (f,q, R, Rz°mp) передают на манипулятор камеры. После чего этапы повторяют. Next, the resulting increment is integrated with the position of the manipulator in its Cartesian coordinate system. This compensated plane of motion is converted into the spherical coordinates of the manipulator f, q, R, on the basis of which, at the next stage, the compensation value of the horizon line R z comp is calculated. The resulting data set (f, q, R, R z ° mp ) is transferred to the camera manipulator. Then the steps are repeated.
Предложенный способ управления движением камеры добавляет интуитивно понятное взаимодействие с роботохирургическим комплексом и повышает эффективность проведения роботохирургической операции. The proposed method for controlling the camera movement adds an intuitive interaction with the robotic surgical complex and increases the efficiency of the robotic surgical operation.
Пример осуществления ассистирующего хирургического комплекса. An example of the implementation of an assisting surgical complex.
Была проведена экспериментальная роботохирургическая операция на животном - нефрэктомия. Проводилась видеозапись рабочего места оператора-хирурга для отслеживания расположения рук на различных этапах операции для последующего анализа удобства управления и взаимодействия. Оптимальная посадка оператора-хирурга за управляющую консоль производилась таким образом, что исключается возможность расположения рук в анатомически неестественных позах, которые приводят к повышенной утомляемости. An experimental robotic surgery was performed on an animal - nephrectomy. A video recording of the operator's workplace was carried out to track the position of the hands at various stages of the operation for subsequent analysis of the convenience of control and interaction. Optimal seating of the operator-surgeon at the control console was carried out in such a way that the possibility of placing the hands in anatomically unnatural positions that lead to increased fatigue was excluded.
Конструкция контроллера управления позволяет осуществлять перемещение и вращение по заданным осям, обеспечивая при этом максимальную амплитуду движения в рабочей области хирурга. Рабочая область не сковывает движения хирурга, конструктивные особенности позволяют при необходимости использовать все пространство, ограниченное по ширине размахом рук, по глубине - длиной рук, по высоте - расстоянием до колен. The design of the control controller allows movement and rotation along specified axes, while providing the maximum range of motion in the surgeon's working area. The working area does not constrain the movements of the surgeon, the design features allow, if necessary, to use all the space limited in width by the span of the arms, in depth - by the length of the arms, in height - by the distance to the knees.
Эргономически выгодные решения, такие как максимальное использование пространства над коленями хирурга и отсутствие выступающих элементов конструкции, предотвращающее возможные столкновения, гарантируют удобство управления, что является важным фактором при проведении длительных операций. Ergonomically beneficial solutions such as maximum use of the space above the surgeon's knee and the absence of protruding structural elements to prevent possible collisions ensure comfortable handling, which is an important factor in long-term operations.
Реализованные шесть степеней свободы контроллера позволяют в полной мере реализовать минимально необходимые для проведения роботохирургической операции операционные действия - захват ткани, резекция, наложение швов. Взаимодействие хирурга с контроллером при проведении нефрэктомии на свинье приведено на фиг.14. The implemented six degrees of freedom of the controller allow you to fully to realize the minimum necessary for carrying out a robotic surgery surgical actions - tissue capture, resection, suture. The interaction of the surgeon with the controller during pig nephrectomy is shown in FIG. 14.
После проведения операционного вмешательства было выявлено, что: · хирургу не приходилось прилагать дополнительных усилий для совершения хирургических воздействий; After the surgical intervention, it was found that: · the surgeon did not have to make additional efforts to perform surgical interventions;
• рабочее поле хирурга не было ограниченно конструкцией контроллера - все необходимые перемещения и вращения осуществлялись с максимальной амплитудой; • the surgeon's working field was not limited by the controller's design - all the necessary movements and rotations were carried out with the maximum amplitude;
• эргономичность конструкции позволила снизить утомляемость и усталость по сравнению с аналогами при проведении длительных операций; • ergonomic design made it possible to reduce fatigue and fatigue in comparison with analogues during long-term operations;
• предложенная конструкция контроллера повысила удобство управления роботохирургическим комплексом по сравнению с аналогами; • the proposed design of the controller has increased the ease of control of the robotic surgical complex in comparison with analogues;
• более 50 % времени запястья хирурга находятся в положении, представленном на фиг.15. • more than 50% of the time the surgeon's wrists are in the position shown in FIG. 15.
Хотя настоящая патентная заявка относится к определенному в прилагаемой ниже в формуле изобретения, важно отметить, что настоящая заявка на патент содержит основание для формулировки других изобретений, которые могут, например, быть заявлены как объект уточненной формулы изобретения настоящей заявки или как объект формулы изобретения в выделенной и/или продолжающей заявке. Такой объект может быть охарактеризован любым признаком или комбинацией признаков, описанных в настоящем документе. While this patent application relates to what is defined in the claims appended below, it is important to note that this patent application contains a basis for the formulation of other inventions, which may, for example, be claimed as the subject of the refined claims of the present application or as the subject of the claims in the allocated and / or a continuing application. Such an object can be characterized by any feature or combination of features described herein.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Ассистирующий хирургический комплекс для выполнения высокоточных малоинвазивных хирургических операций, содержащий исполнительную консоль пациента, которая включает 1. Assistant surgical complex for performing high-precision minimally invasive surgical operations, containing an executive console for the patient, which includes
5 по меньшей мере один комбинированный манипулятор с установленным на нем хирургическим инструментом для выполнения хирургической операции, по меньшей мере один манипулятор камеры с закрепленной на нем камерой для обзора операционного поля, обеспечивающий ее перемещение по трем поступательным степеням5 at least one combined manipulator with a surgical instrument installed on it for performing a surgical operation, at least one camera manipulator with a camera attached to it for viewing the operating field, ensuring its movement in three translational degrees
10 свободы; систему позиционирования по меньшей мере одного манипулятора, закрепленную на по меньшей мере одной продольной стороне хирургического стола и сконфигурированную для хранения по меньшей мере одного манипулятора под хирургическим столом в нерабочем10 freedom; a positioning system for at least one manipulator attached to at least one longitudinal side of the surgical table and configured to store at least one manipulator under the surgical table when not in use
15 положении и автоматического независимого выдвижения и перемещения каждого из манипуляторов в заданной области операционной зоны в рабочем положении, средства для вычисления и оценки сил, действующих на дистальный конец хирургического инструмента, и сил, действующих на другие рабочие части хирургического инструмента,15 position and automatic independent extension and movement of each of the manipulators in a predetermined area of the operating zone in the working position, means for calculating and evaluating the forces acting on the distal end of the surgical instrument and the forces acting on other working parts of the surgical instrument,
20 входную консоль оператора, которая включает по меньшей мере один контроллер оператора для управления движением хирургического инструмента, установленного на указанном комбинированном манипуляторе, сконфигурированный для обеспечения независимых семи степеней свободы при возникновении соответствующих управляющих усилий и/или движений со стороны руки20 an operator input console, which includes at least one operator controller for controlling the movement of a surgical instrument mounted on the specified combined manipulator, configured to provide independent seven degrees of freedom when appropriate control forces and / or movements from the hand occur
25 оператора для поворота и/или перемещения контроллера рукой оператора, при этом контроллер оператора выполнен с возможностью переключения в режим управления камерой с помощью педали управления; цифровой блок управления контроллером оператора, который по каждой степени подвижности контроллера оператора формирует сигнал движения руки оператора и25 operator to rotate and / or move the controller by the operator's hand, wherein the operator controller is configured to switch to the camera control mode using the control pedal; a digital control unit for the operator's controller, which generates a signal for the movement of the operator's hand for each degree of mobility of the operator's controller and
ВО преобразует его в управляющий сигнал для последующего управления комбинированным манипулятором и/или хирургическим инструментом и/или манипулятором камеры, систему числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса, связанную с по меньшей мере одним комбинированным манипулятором, манипулятором камеры, со средствами вычисления и оценки сил, с системой позиционирования манипуляторами, сVO converts it into a control signal for subsequent control of a combined manipulator and / or a surgical instrument and / or a camera manipulator, a numerical program control system of an assisting surgical complex associated with at least one combined manipulator, a camera manipulator, with means for calculating and evaluating forces, with positioning system with manipulators, with
35 цифровым блоком управления контроллером, выполненную с возможностью одновременного и независимого управления всеми элементами комплекса в целом, и для формирования управляющих сигналов, характеризующих силовое воздействие по каждой степени подвижности хирургического инструмента и/или воздействие, рассчитанное на основе заданной модели, и передачи этих сигналов в цифровой блок управления контроллером оператора для их преобразования в механические движения элементов контроллера оператора, причем комбинированный манипулятор включает механизм, снабженный приводными элементами и выполненный в виде соединенных между собой посредством трех штанг неподвижной опорной платформы и подвижной платформы, подвижная платформа механизма выполнена с возможностью размещения на ней хирургического инструмента, и портальный механизм, выполненный в виде модуля поперечного перемещения и модуля продольного перемещения, каждый из которых снабжен блоком приводов, при этом приводные элементы и блоки приводов выполнены с возможностью передачи и/или получения данных от системы числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса, при этом механизм установлен на модуле поперечного перемещения с возможностью перемещения по нему в поперечном направлении, а модуль поперечного перемещения установлен на модуле продольного перемещения с возможностью перемещения по нему в продольном направлении; причем все элементы системы позиционирования оснащены сервоприводами и контроллерами, выполненными с возможностью приема и передачи управляющих команд от системы числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса для выполнения элементами системы согласованных движений, причем средства для вычисления и оценки сил включают 35 digital control unit of the controller, made with the possibility of simultaneous and independent control of all elements of the complex as a whole, and to generate control signals characterizing the force effect for each degree of mobility of the surgical instrument and / or the effect calculated on the basis of a given model, and transmitting these signals to the digital control unit of the operator's controller for converting them into mechanical movements of the elements of the operator's controller, and the combined manipulator includes a mechanism equipped with drive elements and made in the form of a fixed support platform and a movable platform connected to each other by means of three rods, the movable platform of the mechanism is made with the possibility of placing a surgical instrument on it, and a portal mechanism made in the form of a transverse movement module and a longitudinal movement module, each of which it is equipped with a drive unit, while the drive elements and drive units are made with the possibility of transmitting and / or receiving data from the numerical control system of the assisting surgical complex, with this the ohm mechanism is installed on the transverse movement module with the ability to move along it in the transverse direction, and the transverse movement module is installed on the longitudinal movement module with the ability to move along it in the longitudinal direction; moreover, all elements of the positioning system are equipped with servo drives and controllers capable of receiving and transmitting control commands from the numerical control system of the assisting surgical complex to perform the elements of the system of coordinated movements, and the means for calculating and evaluating forces include
- трехосевой нижний тензометрический датчик, расположенный на опоре манипулятора в месте закрепления троакара и находящийся в непосредственном контакте с ним, для измерения сил, приложенных к инструменту и направленных вдоль осей х и у, - a three-axis lower strain gauge transducer, located on the manipulator support at the trocar attachment point and in direct contact with it, to measure the forces applied to the instrument and directed along the x and y axes,
- трехосевой верхний тензометрический датчик, расположенный на опоре манипулятора под приводом хирургического инструмента, для измерения силы, приложенной к инструменту и направленной вдоль оси z, - a three-axis upper strain gauge sensor, located on the manipulator support under the drive of the surgical instrument, to measure the force applied to the instrument and directed along the z-axis,
- датчик усилия захвата исполнительных поверхностей инструмента, выполненный в виде датчика силы тока для электродвигателя привода инструмента, обеспечивающего сжатие исполнительных поверхностей инструмента, - a sensor of the gripping force of the actuating surfaces of the tool, made in the form of a current sensor for the electric motor of the drive of the tool, which provides compression of the actuating surfaces of the tool,
- датчик момента вращения хирургического инструмента, выполненный в виде датчика силы тока для электродвигателя привода инструмента, обеспечивающего вращение хирургического инструмента вокруг его продольной оси, причем тензометрические датчики соединены с соответствующими модулями цифровой обработки данных, а датчик усилия захвата и датчик момента вращения соединены с соответствующими системами управления электродвигателем, модули цифровой обработки и системы управления электродвигателями соединены с- a torque sensor of a surgical instrument, made in the form of a current sensor for the electric motor of the instrument drive, which ensures the rotation of the surgical instrument around its longitudinal axis, moreover, strain gauges are connected to the corresponding digital data processing modules, and the gripping force sensor and the torque sensor are connected to the corresponding motor control systems, digital processing modules and motor control systems are connected to
5 модулем обработки, который запрограммирован для осуществления вычисления посредством групповой обработки и синхронизации сигналов от тензометрических датчиков, датчика момента вращения и датчика усилия захвата: 5 by the processing module, which is programmed to perform calculations by means of group processing and synchronization of signals from strain gauges, a torque sensor and a gripping force sensor:
- сил, направленных вдоль линейных осей, - forces directed along linear axes,
- вращательных моментов инструмента вдоль осей х и у относительно точки ввода троакара- tool torques along the x and y axes relative to the trocar insertion point
10 в тело пациента, 10 into the patient's body,
- вращательного момента инструмента вдоль оси z относительно точки ввода троакара в тело пациента, - tool torque along the z-axis relative to the trocar insertion point into the patient's body,
- усилия сжатия исполнительных поверхностей инструмента, модуль обработки выполнен с возможностью передачи данных на систему числового- the compressive forces of the executive surfaces of the tool, the processing module is configured to transmit data to the numerical system
15 программного управления ассистирующего хирургического комплекса, причем контроллер оператора включает дельта-робот, приводимый в движение с помощью приводного механизма, каждое звено которого выполнено в виде кривошипно -шатунного механизма, приводимого в движение сервоприводом с шарико-винтовой передачей; 15 programmed control of the assisting surgical complex, and the operator's controller includes a delta robot driven by a drive mechanism, each link of which is made in the form of a crank mechanism driven by a ball screw servo drive;
20 тензоплатформу, установленную между подвижной платформой и неподвижной опорной платформой дельта-робота, причем на тензоплатформе расположены сопряженные с каждой шарико-винтовой передачей тензодатчики; при этом к подвижной платформе прикреплена управляющая ручка с возможностью ее охвата кистью руки оператора и сконфигурированная для контроля и преобразования в цифровой сигнал20 strain gauge platform installed between the movable platform and the fixed support platform of the delta robot, and strain gauges coupled to each ball screw are located on the strain gauge; at the same time, a control handle is attached to the movable platform with the possibility of covering it by the operator's hand and configured for control and conversion into a digital signal
25 движения руки оператора по меньшей мере по трем вращательным степеням свободы и силового воздействия на тензоплатформу по трем линейным степеням свободы, при этом формирующийся на тензодатчиках сигнал передаётся на цифровой блок управления контроллером, который рассчитывает и передает на сервопривод соответствующего звена приводного механизма команды компенсации веса и/или перемещения по планируемой траектории,25 movements of the operator's hand along at least three rotational degrees of freedom and force action on the strain gauge platform along three linear degrees of freedom, while the signal formed on the strain gauges is transmitted to the digital control unit of the controller, which calculates and transmits the weight compensation commands to the servo drive of the corresponding link of the drive mechanism and / or moving along the planned trajectory,
ВО рассчитанной на основе полученных данных, причем система числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса выполнена с возможностью компенсации движения при управлении движением камеры. VO calculated on the basis of the obtained data, and the numerical control system of the assisting surgical complex is designed to compensate for movement when controlling the movement of the camera.
2. Комплекс по п.1, характеризующийся тем, что управляющая ручка контроллера оператора включает контроллер запястья, обеспечивающий две вращательные степени свободы в2. The complex according to claim 1, characterized in that the control handle of the operator controller includes a wrist controller that provides two rotational degrees of freedom in
35 ортогональных плоскостях, и контроллер кисти, обеспечивающий две другие вращательные степени свободы. 35 orthogonal planes, and a brush controller providing two other rotational degrees of freedom.
3. Комплекс по п. 2, характеризующий с тем, что контроллер кисти оснащен рукояткой и пальцевыми схватами. 3. The complex according to claim 2, characterized by the fact that the hand controller is equipped with a handle and finger grips.
4. Комплекс по п. 3, характеризующий с тем, что внутри рукоятки контроллера кисти установлен по меньшей мере один приводной элемент и датчик поворота. 4. The complex according to claim 3, characterized in that at least one drive element and a rotation sensor are installed inside the handle of the hand controller.
5. Комплекс по п. 2, характеризующий с тем, что контроллер запястья оснащен, по меньшей мере, одним приводным элементом и датчиком поворота. 5. The complex of claim. 2, characterized in that the wrist controller is equipped with at least one drive element and a rotation sensor.
6. Комплекс по п. 1 характеризующийся тем, что по меньшей мере один манипулятор в нерабочем положении находится под хирургическим столом в части для расположения ног. 6. The complex according to claim. 1 characterized in that at least one manipulator in the inoperative position is located under the surgical table in the part for the location of the legs.
PCT/RU2021/050048 2020-03-19 2021-02-25 Assistive surgical complex WO2021188017A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020111528A RU2720830C1 (en) 2020-03-19 2020-03-19 Assisting surgical complex
RU2020111528 2020-03-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021188017A1 true WO2021188017A1 (en) 2021-09-23

Family

ID=70735213

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050048 WO2021188017A1 (en) 2020-03-19 2021-02-25 Assistive surgical complex

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2720830C1 (en)
WO (1) WO2021188017A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114274119A (en) * 2021-12-17 2022-04-05 苏州融萃特种机器人有限公司 Multi-sensor information fusion control system and method for multi-axis parallel robot
CN115521864A (en) * 2022-11-29 2022-12-27 季华实验室 Remote operation's force feedback self-adaptation micromanipulator

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112021000005T5 (en) * 2020-10-29 2022-07-07 Beijing Wemed Medical Equipment Co., Ltd. Universal robot for interventional angiographic and therapeutic surgery
RU2757645C1 (en) * 2021-02-15 2021-10-19 Александр Дмитриевич Чупров Surgical stereovision system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110201885A1 (en) * 2008-10-20 2011-08-18 The Johns Hopkins University Environment property estimaton and graphical display
EP3159124A1 (en) * 2014-06-19 2017-04-26 Olympus Corporation Manipulator control method, manipulator, and manipulator system
GB2549072A (en) * 2016-03-24 2017-10-11 Cambridge Medical Robotics Ltd Robot control
WO2019074670A1 (en) * 2017-10-10 2019-04-18 Auris Health, Inc. Surgical robotic arm admittance control

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6165080B2 (en) * 2014-02-21 2017-07-19 オリンパス株式会社 Initialization method of manipulator system
US11161248B2 (en) * 2015-09-29 2021-11-02 Koninklijke Philips N.V. Automatic robotic arm calibration to camera system using a laser
US10917543B2 (en) * 2017-04-24 2021-02-09 Alcon Inc. Stereoscopic visualization camera and integrated robotics platform
CN208575867U (en) * 2018-03-13 2019-03-05 王君豪 A kind of long-range control robot arm system carrying medical detection sensor
RU2679260C1 (en) * 2018-04-17 2019-02-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Manipulator for submicron displacements

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110201885A1 (en) * 2008-10-20 2011-08-18 The Johns Hopkins University Environment property estimaton and graphical display
EP3159124A1 (en) * 2014-06-19 2017-04-26 Olympus Corporation Manipulator control method, manipulator, and manipulator system
GB2549072A (en) * 2016-03-24 2017-10-11 Cambridge Medical Robotics Ltd Robot control
WO2019074670A1 (en) * 2017-10-10 2019-04-18 Auris Health, Inc. Surgical robotic arm admittance control

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114274119A (en) * 2021-12-17 2022-04-05 苏州融萃特种机器人有限公司 Multi-sensor information fusion control system and method for multi-axis parallel robot
CN114274119B (en) * 2021-12-17 2023-08-22 苏州融萃特种机器人有限公司 Multi-sensor information fusion control system and method for multi-axis parallel robot
CN115521864A (en) * 2022-11-29 2022-12-27 季华实验室 Remote operation's force feedback self-adaptation micromanipulator

Also Published As

Publication number Publication date
RU2720830C1 (en) 2020-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111084661B (en) Surgical assistance device and recording medium
Zemiti et al. Mechatronic design of a new robot for force control in minimally invasive surgery
RU2720830C1 (en) Assisting surgical complex
Berkelman et al. A compact, compliant laparoscopic endoscope manipulator
De Donno et al. Introducing STRAS: A new flexible robotic system for minimally invasive surgery
US20120035764A1 (en) Surgical robot and robotic controller
Hagn et al. Telemanipulator for remote minimally invasive surgery
GB2538497A (en) Torque sensing in a surgical robotic wrist
WO1999050721A1 (en) Robotic apparatus
JP6546361B1 (en) Surgery support device
CN109316239B (en) Minimally invasive surgery robot main manipulator and system based on magnetic navigation sensing
JP2020065910A (en) Surgery assistance apparatus
Seibold et al. Prototypic force feedback instrument for minimally invasive robotic surgery
US20240066693A1 (en) Estimating joint friction and tracking error of a robotics end effector
WO2021107819A1 (en) Operator controller for controlling a robotic surgical complex
van den Bedem Realization of a demonstrator slave for robotic minimally invasive surgery
Low et al. A review of master–slave robotic systems for surgery
Liu Design and prototyping of a three degrees of freedom robotic wrist mechanism for a robotic surgery system
RU2718568C1 (en) Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller
CN113194870B (en) User interface device, main control console of surgical robot device, and operation method thereof
Kumar et al. A comparative study of robots in laparoscopic surgeries
Ai et al. Design of a novel robotic system for minimally invasive surgery
Sayahkarajy et al. Design of a mechatronic interface with compliant manipulator for robot assisted echocardiography
WO2020209165A1 (en) Surgical operation system and method for controlling surgical operation system
US20230147674A1 (en) Robotic system for tele-surgery

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: 21772076

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: 21772076

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1