RU2720830C1 - Assisting surgical complex - Google Patents
Assisting surgical complex Download PDFInfo
- Publication number
- RU2720830C1 RU2720830C1 RU2020111528A RU2020111528A RU2720830C1 RU 2720830 C1 RU2720830 C1 RU 2720830C1 RU 2020111528 A RU2020111528 A RU 2020111528A RU 2020111528 A RU2020111528 A RU 2020111528A RU 2720830 C1 RU2720830 C1 RU 2720830C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- surgical
- controller
- operator
- manipulator
- control
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
- A61B34/75—Manipulators having means for prevention or compensation of hand tremors
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
- A61B34/76—Manipulators having means for providing feel, e.g. force or tactile feedback
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
- A61B34/77—Manipulators with motion or force scaling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J13/00—Controls for manipulators
- B25J13/06—Control stands, e.g. consoles, switchboards
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J13/00—Controls for manipulators
- B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
- B25J13/085—Force or torque sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J13/00—Controls for manipulators
- B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
- B25J13/088—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices with position, velocity or acceleration sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
- B25J15/02—Gripping heads and other end effectors servo-actuated
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1612—Programme controls characterised by the hand, wrist, grip control
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1694—Programme 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
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/18—Numerical 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
- G05B19/19—Numerical 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
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/18—Numerical 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
- G05B19/402—Numerical 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
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/18—Numerical 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
- G05B19/404—Numerical 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
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/18—Numerical 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
- G05B19/414—Structure of the control system, e.g. common controller or multiprocessor systems, interface to servo, programmable interface controller
- G05B19/4147—Structure 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]
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
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
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, and in particular 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 the control commands are set by the system numerical program control (CNC). Mechatronic complex can be applied in the following areas: robotization, teleoperation, minimal invasive surgery, simulators and others. More specifically, the invention may relate to the field of assisting robotic surgical complexes for minimally invasive surgeries and for simulating such surgeries in a virtual environment.
Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND 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.Increasing demands on the quality of surgical treatment require a significant improvement in surgical technology. Traditional surgical treatment technologies have largely exhausted the opportunity to be improved, and cannot solve the tasks. This is primarily due to the physiological capabilities of the person / surgeon, limited accuracy of movement of his hands, tremor of hands, limited visual acuity, significant size of hands, limited speed of hands and other factors. A fundamentally new surgical technology capable of overcoming the listed limitations and shortcomings is required, which opens up new frontiers for the significant improvement of surgery. The most significant parameter of the development of surgery is an indicator of the accuracy of manipulation of a surgical instrument. Traditionally, when the instrument is held by the surgeon in his hands, this value is limited to 0.1 mm. And this is with the best surgeons. However, the limit / boundary 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 surgical technology approaches this border, the more advantage it will have, namely, it will allow minimizing the surgical field, thereby minimizing tissue injury during surgery, 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 роботохирургия. Роботохирургия - 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 robotic surgery. Robotic surgery is an innovative, previously inaccessible surgical technology, which has become possible in many respects due to the development of mechatronics and information technology, has proven its worth in world clinics and provides new, high-quality medicine.
Использование в хирургии робота, а корректнее, ассистирующего мехатронного 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.Using a robot in surgery, or rather, an assisting mechatronic complex, allows you to get functionality and quality that were previously inaccessible to a doctor: the ability to penetrate difficult areas and operate on them; higher accuracy and a given speed of movement of miniature tools; lack of tremor; stiffness and more. Robot-assisted surgeries have many advantages over traditional surgeries: for example, they can significantly reduce the amount 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 surgical technology in which a mini-tool controlled by a manipulator acts on the surgical field, being delivered to it through small punctures in the patient’s body. The ability to see the surgical field provides a camera that transmits a signal to a 3D monitor. The camera, like the instrument, is inserted through a puncture and controlled by a separate manipulator. Actions / commands to instruments and the camera through the manipulators are set by the operator's controller, controlled by the surgeon's hands. The surgeon’s workstation 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 compared to traditional laparoscopic surgery. The surgeon operates while sitting, in a comfortable position, gets tired less and does not lose concentration. Also, unlike laparoscopy, the movement of the control movements of the surgeon's hands can be multiplied when transferred to the manipulator and instrument with a coefficient greater than or 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 introduced to clinics around the world, primarily thanks to the DA VINCI robot from Intuitive Surgical Inc. Many companies are trying to create competition for him and also enter the market.
Например, хирургический робот, разработанный испанской компанией Tecnalia и университетом Малага, раскрыт в международной заявке WO2017220822 A1. 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 aim of the project is to provide hospitals with affordable robotic surgery, which offers high precision operations, in the range of laparoscopy requirements. The robot consists of three six-axis (six-degree) manipulator arms that can function together or separately, in accordance with the requirements of the operation. Robotic manipulators were selected for this project because of their simple programming system, which allows engineers to adapt their software to the specific needs of surgical operations. Each arm weighs no more than 18 kilograms, which makes it easy to install them on a vertical support, which was adapted to avoid the need for a long cable and thereby allowing free and unhindered movement of medical workers throughout the operating room. The robot also includes a screen for 3D Vision, which allows the surgeon to expand his field of view to better control the work of a pair of joysticks that mimic laparoscopy tools.
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 which positions and in what parameters to perform such a comparison. Regardless of the type or type of technical implementation, robotic surgery technologies have their own basic features that form them and the primary parameters / features. They are: removal of tremor, accuracy of instrument movement, including 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 complexes.
В конце 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.At the end of September 2019, Medtronic introduced the Hugo robotic surgical platform, which has been under development for many years. The company promises that a new robot surgeon with a modular configuration system will reduce the cost of many operations and expand the scope of surgical robotics. The platform of the module consists of the open console of the surgeon, 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 as the hospital becomes financially capable.
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 robot surgeon at Corindus, which Siemens had bought a few weeks earlier, performed its first neurovascular surgery. The procedures were performed over a 5G wireless network, dedicated fiber optic connections and commercial public networks, by a doctor who was 3,000 miles from the patients. The networks provided low latency connectivity and the successful implementation of remote procedures. The CorPath GRX system enabled the physician in real time to monitor the actions of the robot from a remote location. The results will allow interventional cardiologists to use robotic technologies for the safe and effective remote execution of coronary procedures anywhere in the country. Such an approach will reduce 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 patentable robotic surgical complexes only allows us to note both their innovative differences and draw attention to significant shortcomings and comments. Known from the prior art solutions do not allow in one design of a robotic surgical complex to solve the following set of problems:
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 is to create conditions that allow the surgical instrument to move / position relative to the tissues of the surgical field during the operation in the accuracy range exceeding the accuracy of the surgeon’s hand, especially in automatic control without compensating commands from the doctor.
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 techniques, thereby significantly enriching and expanding the surgeon’s functional arsenal.
3. Обеспечить условия для автоматизированного и автоматического выполнения роботохирургических операций.3. Provide conditions for the automated and automatic execution of robotic surgery.
4. Обеспечить легкость перемещения контроллера для управления хирургическим роботом на всей амплитуде рук хирурга.4. To provide ease of movement of the controller to control the surgical robot over the entire amplitude of the surgeon's hands.
5. Обеспечить преобразование команд от перемещения рук в отмасштабированные перемещения хирургического инструмента, при этом:5. To ensure the conversion of teams from moving hands to scaled movements of a surgical instrument, while:
масштаб не ограничен и зависит только от задач на операцию; the scale is not limited and depends only on the tasks for the operation;
масштабирование может происходить как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.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-final operation time.
Перечисленные проблемы понижают эффективность работы роботохирургического комплекса и не дают возможность в полной мере реализовать преимущества роботохирургических технологий. These problems reduce the effectiveness of the robotic surgery complex and do not provide the opportunity to fully realize the advantages of robotic surgery technologies.
Именно решению перечисленных проблем посвящена данная заявка.It is the solution to these problems that this application is dedicated to.
Суть изобретенияThe 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 the key requirements of robotic surgery prototypes and analogues based on the new architecture, made possible by the new properties of the key blocks and the 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 for management;
- более полный набор роботохирургических функций, реализуемых комплексом, в том числе функций, выполняемых автоматизированно;- a more complete set of robotic surgery 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 controller of the operator, tactile sensations from the patient’s tissues when the instrument touches 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 operation of the surgeon when controlling the operator’s controller at the full amplitude of the hand movement to form teams that have scaled (proportionally increased or decreased in magnitude) tool movements, while the scale has no limitations;
- 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 according to a given command from the system of numerical program control (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 at any acceptable angle of rotation with simultaneous correction taking into account this rotation of the coordinate system of the tools and the controller;
- значительное сокращение подготовительно-заключительного времени операции. - a significant reduction in the preparatory-final operation time.
При этом разрабатываемый ассистирующий хирургический комплекс должен быть также универсальным и адаптироваться/локализоваться к различным видам хирургического вмешательства.At the same time, the developed assisting surgical complex should also be universal and adapt / localize to various types of surgical intervention.
С целью решения поставленных задач был разработан ассистирующий хирургический комплекс, подробно описанный ниже.In order to solve the 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,An assisting surgical complex for performing highly accurate minimally invasive surgical operations contains an executive console for the patient, which includes at least one combined manipulator with a surgical instrument mounted on it for performing a surgical operation, at least one camera manipulator with a camera fixed to it for viewing the surgical field, providing its movement in three translational degrees of freedom; at least one manipulator positioning system mounted on at least one longitudinal side of the surgical table and configured to store at least one manipulator under the surgical table in the idle position and automatically independently extend and move each of the manipulators in a given area of the operating area 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, 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 side of the operator’s hand occur to rotate and / or move the controller by the operator’s hand, the operator’s scooter is configured to switch to the camera control mode using the control pedal; and a digital control unit for the controller of the operator, which for each degree of mobility of the controller of the operator generates a signal of movement of the hand of the operator and converts it into a control signal for subsequent control of the combined manipulator and / or surgical instrument and / or camera manipulator, a numerical control system for the assisting surgical complex with at least one combined manipulator, a camera manipulator, with means for calculating and evaluating forces, with a positioning system for manipulators, with a digital controller control unit, configured to simultaneously and independently control all elements of the complex as a whole, to generate control signals characterizing the force action for each degree of mobility of the surgical instrument and / or the impact calculated on the basis of a given model, and the transmission of these signals to the digital control unit of the operator controller to convert them into mechanical movements of operator controller elements,
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,moreover, the combined manipulator includes a mechanism equipped with drive elements and made in the form of a fixed supporting platform and a movable platform interconnected by means of three rods, the movable mechanism platform is capable of placing a surgical instrument on it, and a portal mechanism made in the form of a transverse movement module and a module longitudinal movement, each of which is equipped with a drive unit,
при этом приводные элементы и блоки приводов выполнены с возможностью передачи и/или получения данных от системы числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса, 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,
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;wherein the mechanism is mounted on the lateral movement module with the possibility of moving along it in the transverse direction, and the lateral movement module is mounted on the longitudinal movement module with the possibility of moving along it in the longitudinal direction;
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, moreover, all elements of the positioning system are equipped with servo drives and controllers, configured to receive and transmit control commands from the numerical control system of the assisting surgical complex to perform elements of the system of coordinated movements,
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 и 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,moreover, the means for calculating and evaluating the forces include a three-axis lower strain gauge located on the support of the manipulator in the place of attachment of the trocar and in direct contact with it, for measuring the forces applied to the instrument and directed along the x and y axes, a three-axis upper strain gauge located on the support of the manipulator under the drive of the surgical instrument, for measuring the force applied to the instrument and directed along the z axis, a sensor for gripping the executive surfaces of the instrument, made in the form of a current sensor for the electric drive of the instrument, which compresses the executive surfaces of the instrument, the moment of rotation of the surgical instrument made in the form of a current sensor for the electric drive of the instrument, providing rotation of the surgical instrument around its longitudinal axis,
причем тензометрические датчики соединены с соответствующими модулями цифровой обработки данных, а датчик усилия захвата и датчик момента вращения соединены с соответствующими системами управления электродвигателем, moreover, the strain gauge sensors are connected to the respective digital data processing modules, and the pickup force sensor and the torque sensor are connected to the respective motor control systems,
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, digital processing modules and electric motor control systems are connected to the processing module, which is programmed to carry out the calculation by group processing and synchronization of signals from strain gauges, torque sensor and gripping force sensor: forces directed along linear axes, tool torques along x and y axes relative to the point of entry of the trocar into the patient’s body, the moment of rotation of the instrument along the z axis relative to the point of entry of the trocar into the patient’s body, the compression force of the executive surfaces of the instrument, the processing module is adapted to transmit data to the numerical control system of the assisting surgical complex,
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,moreover, 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 servo-drive with a ball screw; a strain gauge installed between the movable platform and the fixed support platform of the delta robot, and strain gauges associated with each ball screw transmission are located on the tensile platform; at the same time, a control handle is attached to the movable platform with the possibility of its coverage by the operator’s hand and configured to control and convert into a digital signal of the movement of the operator’s hand with at least three rotational degrees of freedom and force impact on the tensile platform in three linear degrees of freedom,
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,at the same time, the signal formed on the load cells 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 for weight compensation and / or movement along the planned path calculated on the basis of the received data,
причем система числового программного управления ассистирующего хирургического комплекса выполнена с возможностью компенсации движения при управлении движением камеры.moreover, the system of numerical control of the assisting surgical complex is made with the possibility of motion compensation when controlling the movement of the camera.
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 control handle of the operator controller includes a wrist controller that provides two rotational degrees of freedom in orthogonal planes, and a brush controller that provides two other rotational degrees of freedom.
В некоторых вариантах осуществления изобретения контроллер кисти оснащен рукояткой и пальцевыми схватами.In some embodiments of the invention, the brush controller is equipped with a handle 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 drive element and a rotation sensor are installed inside the handle of the brush controller.
В некоторых вариантах осуществления изобретения контроллер запястья оснащен, по меньшей мере, одним приводным элементом и датчиком поворота.In some embodiments of the invention, the wrist controller is equipped with at least one drive element 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 idle position is located beneath the surgical table in the leg portion.
Теоретические обоснования, подтверждающие достижение поставленных технической задачи и технического результата при использовании ассистирующего хирургического комплекса.Theoretical justifications confirming the achievement of the 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 significant, inaccessible with the previous techniques of 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 turns, three linear movements and one opening jaws) and more than the axes of the executive surfaces of the surgical instrument during surgery; 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 tremor of the hand.
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 type of movement of a surgical instrument, there are seven axes of displacement of the executive surfaces of the instrument. According to the laparoscopic type of movement of the surgical instrument, there are four (three linear displacements and one opening of the jaws) axes of displacement 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 tool movement is inferior to that of the surgeon's hand. This fact significantly reduces the functionality of such robots and does not allow to reveal the full potential of robotic surgery.
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 trend for all robots being developed as a functional competitor of the Da Vinci robot. The main reason for this situation is associated with the complexity of the design of robotic surgical complexes having a significant number of links / elements that affect accuracy. It is possible to overcome this barrier 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, fully 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 for an assisting complex, potentially capable, if necessary, of a 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 technical result are achieved due to the fact that the complex uses as modular elements new blocks developed for the tasks of robotic surgery that make up the assisting surgical complex, as well as more advanced architectures for their mechanical and informational 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. The achievement of accuracy values exceeding 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 that interact during operation. In this case, the individual blocks, the properties and features of which create the conditions for solving the problem, are:
A. 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. The combined manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by the increased structural rigidity and dynamic accuracy due to the construction of the manipulator in the form of a two-component spatial mechanism, which is an improved tripod in combination with the portal mechanism of its linear movements over the work area. Such a kinematic scheme allows for sufficient mobility of the surgical instrument and an 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. The controller of the operator of the assisting surgical complex, which influences the achievement of the task and the technical result, the increased accuracy of determining the position of the hands of the operator / surgeon in the entire possible range of their movement due to the use of the delta-robot mechanism of the tensor platform located between the movable and fixed platforms of the delta robot mechanism and the digital controller control unit.
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 assisting surgical complex manipulator, which affects the achievement of the task and the technical result due to the rigidity of the structure and the possibility of mounting the manipulator directly on the operating table to standard points of attachment of additional equipment, which ensures the minimum number of links / elements, the accuracy 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 system of numerical program control (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task and the technical result due to the control, correction and compensation of the position of the instrument when it is moved and deviates from the desired position specified by the surgeon. The CNC system provides the transformation of the coordinates of each element of the controller of the operator when it is controlled by the surgeon into the coordinates of the actuator, which is a manipulator with a surgical instrument fixed to it and / or the surgical instrument itself. The CNC system also generates drive control signals for each degree of mobility of the actuator so that its movement corresponds to the direction in which the operator-surgeon acted on the control controller mechanism, 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. A system for evaluating efforts on a robotic surgical instrument of an assisting surgical complex that affects the achievement of the task and the technical result due to the identification of the nature, direction and magnitude of the forces acting on the surgical instrument during operation (during a surgical operation) based on measuring the magnitude of the movement of the instrument in the area of used multiaxial strain gauge sensors, one of which is located on the support of the manipulator under the drive of the surgical instrument, and the other is in the place of attachment of the trocar, 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. Achieving a more complete set of robotic surgery 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 complex blocks interacting during operation. At the same time, the properties and features of individual blocks that create the conditions for solving the task and the technical result are:
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.The combined manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task and the technical result by the fact that its design is designed to fully implement robotic surgery technologies, while the unit is fully mechatronic and digital and has a direct and feedback circuit.
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. The controller of the operator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task and the technical result by the fact that its design is designed to fully implement robotic surgery technologies, while the unit is fully mechatronic and digital and has a direct and feedback loop.
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. The positioning system of the manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task and the technical result by the fact that it has the ability to position the manipulators in various positions necessary for performing robotic operations, while being fully mechatronic and digital and has a direct and feedback loop .
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.The system of numerical program control (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task and the technical result by providing fully digital control of both individual blocks and nodes, 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. The 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 touches them during surgery, is ensured as a result of a combination of properties and features of the complex units interacting during operation. In this case, the properties and features of the individual blocks that create the conditions for solving the problem are:
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. The combined manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task and the technical result by the fact that it is fully mechatronic and digital and has a circuit both direct and feedback.
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. The controller of the operator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the bed task and the technical result set by the fact that it is fully mechatronic and digital, and has a circuit both direct and feedback.
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.The system of the numerical program control system (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task and the set technical result by providing fully digital control of the operator controller, manipulator and system for evaluating the force on the instrument, separately for each unit and during their interaction.
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 инструменту 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 датчиков различного типа и принципа действия для разных степеней свободы.A system for evaluating the effort on a robotic surgical instrument, which affects the achievement of the task and the technical result due to the assessment of efforts on the instrument and increasing the reliability of identifying their sources, as well as due to the presence of the following properties in the design: the ability to evaluate the forces acting on the surgical instrument of a robotic surgical system, applied to any part of its structure; the ability to uniquely determine the direction and numerical value of the force applied to the surgical instrument; the possibility of uninterrupted operation of the force assessment system under the conditions of using electrocoagulation with a surgical instrument; the ability to measure the gripping force that occurs when closing the jaws of a surgical instrument; providing the ability to transmit data on measured forces to external control systems of the robotic surgical complex; immunity to electromagnetic interference from a household network; the possibility of using measuring sensors of various 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 имеющем 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:4. Achieving the convenience and ease of operation of the surgeon when controlling the controller at the full amplitude of the hand movements for generating commands of scaled (proportionally increased or decreased in magnitude) movements of the tool at a scale that does not have restrictions is ensured as a result of a combination of properties and features of the complex blocks interacting during work. In this case, the properties and features of the individual blocks that create the conditions for solving the problem are:
Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи повышенными характеристиками жесткости конструкции и ее динамической точности.The combined manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task with the increased characteristics of the rigidity of the structure and its dynamic accuracy.
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 состав комплекса манипулятором, как задавая ему команду, так и получая обратные реакции в ответ.The controller of the operator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by a fully digital mechatronic realized design that allows the operator / surgeon to interact by hand, in any range of their movement, with the surgical complex and directly with the manipulator included in the complex, as if giving him a command, and getting back reactions in response.
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. Numerical control system (CNC) of an assisting surgical complex, which affects the achievement of the task due to the fully digital control system and the algorithm for calculating the movement of the manipulator, converting it into commands for the manipulator.
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-final operation time is ensured as a result of a combination of properties and features of the complex units interacting during operation. In this case, the properties and features of the individual blocks that create the conditions for solving the problem are:
Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи тем, что является компактным, имеет малый вес, полностью мехатронным и цифровым. The combined manipulator of an assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by the fact that it is compact, has a low weight, is fully mechatronic and digital.
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.The positioning system of the assisting surgical complex manipulators, which affects the achievement of the task due to the rigidity of the manipulator mounting, while increasing the possible position of the manipulators relative to the patient and increasing the speed and reducing the time the manipulators move to the working position (working area) and back to the storage area located under the foot tabletops of the operating table in such a way as to preserve the traditional functional capabilities of the table, which allows you to quickly interrupt the robotic surgery and continue it in the cavity operation mode.
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.The system of numerical program control (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by the fact that it provides fully digital control of the positioning system of the manipulator and the combined manipulator, both individual 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. The achievement of automated and automatic movement of the tool and other elements of the complex at a given command from the system of numerical program control (CNC) is ensured as a result of a combination of properties and features of the complex blocks interacting during operation. In this case, the properties and features of the individual blocks that create the conditions for solving the problem are:
A. Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи тем, что является полностью мехатронным и цифровымA. The combined manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task in that it is 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 affects the achievement of the task by a fully digital mechatronic realized 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 assisting surgical complex manipulator, which affects the achievement of the task in that it is fully 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. The system of numerical program control (CNC) of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task due to the fully digital control system of the manipulator, operator controller and complex positioning system.
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:7. Achieving the possibility of controlled rotation of the camera during an operation at any permissible rotation angle with simultaneous correction taking into account this rotation of the coordinate system of the tools and the controller is ensured as a result of a combination of properties and features of the complex units interacting during operation. In this case, the properties and features of the individual blocks that create the conditions for solving the problem are:
A. Комбинированный манипулятор ассистирующего хирургического комплекса, который влияет на достижение поставленной задачи тем, что является полностью мехатронным и цифровымA. The combined manipulator of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task in that it is 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 in that it is a fully digital mechatronic realized 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 camera compensation system of the assisting surgical complex, which affects the achievement of the task by the fact that it is fully mechatronic and digital and has a special unit for races and control.
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 after consideration of the following detailed description and drawings.
Краткое описание чертежейBrief Description of the 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 in and constitute a part of the present description, illustrate embodiments of the invention and, together with the above general description of the invention and the following detailed description of embodiments, 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 robosurgical complex that is used for the present invention.
Фиг. 2 иллюстрирует схематическое изображение конкретного варианта осуществления ассистирующего хирургического комплекса.FIG. 2 illustrates a schematic representation of a specific embodiment of an assisting surgical complex.
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 an operator with mechatronic devices of an assisting surgical complex.
Фиг. 4 иллюстрирует разработанную модель контроллера оператора с блоком-позиционирования, выполненным в виде дельта-робота.FIG. 4 illustrates a 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 construction of a manipulator.
Фиг. 7 изображает общий вид модели трипода с установленным на его подвижной платформе хирургическим инструментом.FIG. 7 depicts a general view of a tripod model with a surgical instrument mounted 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 construction of a manipulator with a surgical instrument mounted 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 mounted on a manipulator.
Фиг. 10 изображает архитектуру системы оценки сил.FIG. 10 depicts the architecture of a force assessment system.
Фиг. 11 иллюстрирует механизм системы позиционирования манипуляторов и крепления ее к операционному хирургическому столу.FIG. 11 illustrates the mechanism of the positioning system of the manipulators and its attachment to the operating surgical table.
Фиг. 12 иллюстрирует общий вид сборки системы позиционирования манипуляторов в рабочем положении.FIG. 12 illustrates a general view of an assembly of a manipulator positioning system in a working position.
Фиг. 13 отражает блок-схему алгоритма работы системы автоматического управления манипулятором камеры.FIG. 13 reflects a block diagram of the algorithm 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 a control controller for nephrectomy.
Фиг. 15 иллюстрирует наиболее частое расположение рук хирурга при проведении операции.FIG. 15 illustrates the most frequent position of the surgeon's hands during surgery.
Термины и определенияTerms 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, the following are some of the terms used in the present description of the invention. Unless defined separately, technical and scientific terms in this application have 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 interpreted in an exclusive sense, but, on the contrary, used in a non-exclusive sense (ie, in the sense of “having in its composition”). As an exhaustive list, only expressions of the “consisting of” type should be considered.
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”, and “assisting surgical complex” mean complex systems or complexes in surgery using a robot assistant in operation time. “Robot-assisted systems” or “robot-assisted surgical systems” are robotic systems designed for medical operations. This is not a stand-alone, automatic device, the robot-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” is understood to mean a complex or system with computer control of movement, which is based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science and computer control of the movement of machines and assemblies.
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" means the surgeon performing the operation. The signs "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 the present application materials, the term “manipulator” is understood to mean a mechatronic mechanism designed to fasten and move (reposition) a surgical instrument during a surgical operation in accordance with specified 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 the present application materials, the term “portal mechanism” is understood to mean the mechanism of a robotic system consisting of two support (portal) frames, which can, on command from the control system of the robotic surgical complex, move one relative to the other 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 “transverse displacement module” are understood to mean mechanisms providing 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" is understood to mean a special tool of small size, which is fixed in a surgical robot for operations. During surgery, instruments can move, rotate and rotate in a much wider range and much more accurately than a human hand. Depending on the type of operation, an appropriate tool is used that allows it to be performed most efficiently. A miniature robotic surgical instrument performs tissue dissection, tissue movement, clamping, suturing, etc. that allows you to work with hard-to-reach areas of organs without the risk of damage to 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, the sign “executive surfaces of the tool”, “executive part of the tool” is understood to mean the surface of the tool or part of the tool with which the tool performs its official purpose. As a rule, executive surfaces, for example, branches, are located at the end of the instrument introduced 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, the controller is raised in this document with respect to the controller, which “digitizes” - translates the position of the operator’s hand moved into numerical values / coordinates and allows you to integrate and manage a new tool into the complex, without subsequent changes to the controller’s design. Having mastered the controller once, the operator uses it for a long period of his practice, due to the controller’s ability 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.Pot the term "absolute position" in this document understand the coordinate defined relative to a fixed structural element.
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 энкодеров. Датчики имеют цифровые выходные сигналы Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profinet 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 to determine the angle of rotation. To determine the value of the angle of rotation of an element, in principle, all types of angle sensors are suitable. However, in the majority of used sensors, it is necessary, first of all, to constantly register and save current data on the rotation of the element. Rotary encoders can be used based on incremental and absolute encoders. The sensors have digital output signals Linedriver (TTL, RS422), Push-Pull (HTL), SSI, CAN, Profibus, Profinet and others. Sensors based on analogue angle sensors and / or magnetic 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, 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. they are used simply as conditional markers, without imposing any numerical or other restrictions on the enumerated objects.
Подробное описание изобретенияDETAILED 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 for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the invention disclosed.
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 complex, the general structure of which is depicted in FIG. 1. The robotic surgical complex includes three main nodes. The first node is the controllers that serve as the master device and with which the surgeon interacts directly. The second executive unit is the 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 surgery complex is a computing unit, with the help of which all system interactions are carried out. The robotic surgical complex can be used in various surgical interventions, including in 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's trolley (actuator) 1300, the
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
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
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 them and position them relative to the patient. It should be understood that the robotic surgical complex can have any number of manipulators, for example, one or more manipulators. In FIG. 1 shows three
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
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. In addition, the controller controls the turning and opening-closing of the jaw on the surgical instrument. The
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.By pedal 1120 in this application is meant a contact switching device (mechanical or electronic) capable of turning on / off the passage of current in a circuit. As such a device, a pedal, button, switch, switch, and the like can act. Hereinafter, in the framework of this application, the
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
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 surgical instruments without actually holding surgical instruments directly in his hands, he (the surgeon) can operate the complex in both a sitting and standing position. As a device for a sitting 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 the assisting surgical complex 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 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 components of the robotic surgical complex.
2150 - Цифровой блок управления контроллером оператора.2150 - Digital control unit for the operator controller.
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 - The automatic control system, made in the form of a numerical control system (CNC) of an assisting surgical complex, and providing numerical control of the entire complex and individual units, such as an operating field monitoring system, surgical instrument, auxiliary processing equipment, operating table, equipment.
2310 – Манипулятор хирургического инструмента, используемый в комплексе согласно настоящему изобретению.2310 - Manipulator of a surgical instrument used in the complex according to the present invention.
2340 – Система позиционирования манипулятора относительно оперируемого.2340 - Positioning system of the manipulator relative to the operated.
2320 – Манипулятор камеры, которая позволяет получить изображение операционного поля во время проведения хирургической операции.2320 - Camera manipulator, which allows you to get an image of the surgical field during a surgical operation.
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.At the same time, the control controller (operator controller) 2110 interacts with the
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 power feedback loop of this robotic surgical complex is integrated a system for assessing the forces acting on tissues and organs of a patient by an instrument during a robotic surgical operation. Using such a system allows you to realize tactile sensations for the surgeon from the contact of the instrument surfaces with the patient’s tissues, without creating sensations from the instrument’s contact with the trocar, which are forced to arise in the form of friction and various lateral forces when moving the instrument 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 advanced units, which are the constituent elements of an assisting surgical complex, as well as their informational connections 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). Operator Controller 3000 (Fig. 3) belongs to the class of mechanisms that provide conversion into electronic digital signal of commands that a person sets with a movement of his hand. A general view of the operator controller is shown in FIG. 3. The controller of the
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
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 contact of the
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.The 3200 controller’s positioning block platform is a hand controller that provides three translational degrees of freedom of the
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.In FIG. 4 is a perspective view of a mechatronic device control controller that allows reading 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 — a fixed support and a movable one — and a positioning block. A movable platform is attached to the fixed supporting 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.The parallel structure mechanism can be used by anyone. In a preferred embodiment of the controller, the positioning unit is a closed kinematic chain consisting of constant-length rods arranged in pairs parallel to each other and connected at one end to the respective actuators mounted 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, a controller based on a parallel structure mechanism, in comparison with serial structure controllers and other controllers, has significantly less weight and size, while at the same time more accuracy, rigidity and power.
Дельта-робот (фиг. 5) представляет собой вид параллельного робота, который состоит из трех рычагов 410, расположенных под углом 120є 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, which consists of three
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
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 drive mechanism of the controller, which drives the positioning unit of the controller, in particular, levers 410, can be made in the form of any known mechanism that provides a reduction in accuracy losses due to backlash during operation of the mechanism. In a preferred embodiment of the controller, the drive mechanism may be configured as a crank mechanism. It is driven by a ball screw transmission, performing rotational movements due to a servo drive with a built-in electromagnetic brake and an angle position sensor. Servo drive is an electromechanical device that performs 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 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 are changed and some corrective action is taken for the servo motor (or series of actions), for example, rotation of the shaft, acceleration or deceleration, so that the value from the position sensor becomes as close as possible to the value of the external control parameter. The type of servo used can be any. In some embodiments, the controller uses an integrated servo.
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 backlashless gearbox with zero mechanical backlash, for example, a backlashless precision gearbox, preferably a wave type or planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 ’, can be used as a drive mechanism in some embodiments of the controller.
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
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
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. The
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 there is effort on the part of the operator, the mechanical force exerted by the operator and transmitted from the forearm to the operator’s hand passes through the
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, on the basis of the received signal according to a given program, calculates the trajectory of the delta robot along three linear coordinates and with the help of servo drives moves the positioning unit to the desired position. For example, the digital control unit can be configured to compare the obtained value of the deformation signal, and therefore of the movement, with a predetermined value that determines the position of the delta robot in equilibrium and supply such a control signal to the servo 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 gravity of the moving parts of the controller - the “virtual weight” system (UHV). UHV allows you to adjust the weight felt by a person on the control handle of the controller in the range from 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 controller control unit is configured and constructed in such a way that it 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 servos. The digital controller control unit 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 basis.
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 allows you to move it with the operator’s hand in three linear coordinates, without spending significant forces on the operator’s hand, compensating for the lacking power by the operation of executive motors controlled by signals from the controller’s digital control unit to obtain the exact coordinates of the brush position from moving the forearm and other upstream , parts of the hand of the surgeon operator for at least three degrees of freedom, and compensation for the weight of the hand controller in static 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
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
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
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 block is mounted on the
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 sensor for determining the angle of rotation for each rotational degree of freedom allows you to determine the absolute position of the angle of inclination of the wrist controller. In some embodiments, in addition to the rotation sensors for determining the absolute position of an element included in the controller, these elements can be equipped with tachometers, acceleration meters and load force indicating elements, each of which can 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.To read data from the sensors for determining the angle of rotation and the rotation of the block of the movable console and / or block of the rotation mechanism, the brush controller includes 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’s
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.In addition, the
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
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.If there is an effort on the part of the operator, the
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 rotated by the operator’s hand, the handle rotation sensor generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the brush controller, which calculates the angle of deviation of the handle relative to its longitudinal axis and transmits this information to the digital control unit of the controller, which is capable of transmitting the received signals to a numerical control system (CNC) of an assisting surgical complex, which can be performed on a computer basis.
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 схвата вокруг своей оси вращения и передает цифровой сигнал в блок управления контроллера кисти, который рассчитывает его положение относительно неподвижного пальцевого схвата 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 tongs work in combination. In one embodiment, one finger grip is made integrally with the handle body and is stationary relative to it. Another finger grip is movable and has one rotation, rotating around its axis, coinciding with the longitudinal axis of the handle. During operation, the finger grip rotation sensor reads the rotation angle of the movable finger grip around its axis of rotation and transmits a digital signal to the brush controller control unit, which calculates its position relative to the fixed finger grip and transmits this information to the digital controller, which is capable of transmitting the received signals to a numerical control system (CNC) of an assisting surgical complex, which can be performed on a computer basis.
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 efforts are made by the operator, the wrist controller monitors and digitizes the deviation of the wrist relative to the anteroposterior axis located in the sagittal plane (abduction or adduction of the hand, which is 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 with a brush around the ulnar bone relative to the longitudinal axis of the operator’s arm.
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 deviates by the wrist of the operator from the anteroposterior axis lying in the sagittal plane, the rotation sensor of the movable console unit generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of deviation of the console and transfers this information to the digital control unit a controller that is configured to transmit the received signals to the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on a computer basis.
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 block is rotated around a predetermined center by the operator’s wrist, the rotation sensor of the rotation mechanism block generates a digital signal about the angle of rotation and transmits it to the control unit of the wrist controller, which calculates the angle of deviation of the block relative to the longitudinal axis of the operator’s hand and transmits this information to the digital control unit a controller that is configured to transmit the received signals to the numerical control system (CNC) of the assisting surgical complex, which can be performed on a computer basis.
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.Based on the obtained data, the digital control unit of the controller plans the rotation path of the handle and / or finger grips and / or the block of the rotation mechanism and / or the block of the mobile console and by supplying a control signal to the handle drive element and / or the finger gripper element and / or a drive element of the rotation mechanism block and / or the movable console block, moves the handle and / or finger grips and / or the rotation mechanism block and / or the movable console block and directly the wrist and / or wrist of the operator to the desired 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.The control units of the brush controller and / or the control of the wrist controller, the strain gauge platform, the digital controller control unit can be interfaced with the digital controller control unit via a common data bus. The digital controller control unit is configured to record data on received / transmitted commands. The digital control unit of the controller, in turn, through the common data bus is connected to 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 controller control unit has the ability to repeat / demonstrate the movement of the recorded commands both in free mode and transmitting movements to the operator’s hand on the controller’s 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 tools are selected from devices designed to implement the communication process between different 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's controller is used to control the manipulator with surgical instruments or the camera. Therefore, any movement of the hand or wrist or hand of the surgeon leads to the movement of manipulators or surgical instruments. The control signals from the digital control unit of the controller are fed to the CNC system of the assisting surgical complex, to the digital control unit of the positioning system of the manipulators and directly to the drive elements, the drive blocks of the manipulators 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. Combined manipulator 4000 (Fig. 6), used in an 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 allows you to create a manipulator with the necessary mobility and the angle of rotation of the output link, on which the surgical instrument is finally 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 the general case, the combined
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.
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).Three
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
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, the implementation of the manipulator, the
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
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 an additional two linear displacements for the
Блок приводов 4400 портального механизма может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов при работе. The
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 manipulator, each of the linear axes of the portal mechanism is driven by an accurate
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
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 you to most accurately, with the maximum required angles of rotation, with the minimum weight and size of the structure, ensure the movement of the output link (mobile tripod platform) around the remote center of motion - 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
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. The
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 carry out the linear movement of the
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 instrument to be inserted into the patient’s body at point “0” (the entry point of the surgical instrument into the patient’s body) and, using the developed mathematical apparatus of the control system, to 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 provides the transformation of the coordinates of all elements of the controller of the operator in the coordinates of the actuator (manipulator). It carries out the formation of drive control signals for each degree of mobility of the actuator so 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. 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.Blocks of drives (drive elements) of the manipulator and surgical instrument are connected with the CNC system. They are interfaced via a common data bus. The CNC system is configured to record data on received commands. Data transmission tools are selected from devices designed to implement the communication process between different devices through 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 during a robotic surgery, and to transmit information containing the results of measurements, the force assessment system is used in a complex. The system is an integral part of the actuator of the robot-assisted surgical complex and implements the measurement functionality for the implementation of the tactile feedback complex. The force assessment system used in the power feedback loop should have the following functions:
• Измерение данных прикладываемых к инструменту сил с использованием нескольких многоосевых тензометрических датчиков;• Measurement of data applied to the tool forces using several multi-axis strain gauge sensors;
• 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 the applied forces to ensure conditions for limiting the frequency characteristics of the signals in order to reduce the 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.• Transfer 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: О1 – 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 O1 определяется как начало отсчета.In FIG. 9 is a schematic representation of a surgical instrument attachment structure. The attachment design is a support configured to position and secure the trocar thereon and secure the instrument by securing the instrument drive. For accurate positioning of the instrument, a trocar holder is used in the attachment structure. In FIG. 9 figures indicate the following structural elements: 5100 - three-axis strain gauge (upper strain gauge); 5200 - three-axis strain gauge sensor (lower strain gauge); 5300 - holder of a trocar. The accepted symbols in FIG. 9: O1 - the point of entry of the trocar into the patient’s body, around which two turns of the instrument introduced into the trocar during the operation are performed (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 drive of the surgical instrument. Orientation angles (rotation angles) of the surgical instrument in the horizontal plane and tilt are considered relative points of rotation (zero point). The zero point O1 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 tool elements, the mounting design of the surgical instrument and the manipulator elements is realized through two multi-axis strain gauge sensors, one of which is located at one end of the instrument under the drive of the instrument, and the other at the fastening point of the trocar. 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 zone of interference of electrocoagulation;
• 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 on 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 multiaxial strain gauge sensors, bend sensors based on strain gages, capacitive strain gauges or sensors of any other operating principle 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 sensing element in the form of a strain gauge can be used as strain gauge sensors. Sensors of this type have a high output resistance, and the signal has low power, which limits its distribution 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 Х, Y, Z и вращательные моменты вокруг осей X и Y);• Evaluate the forces acting on the tool in at least five degrees of freedom using two three-axis strain gauge sensors (three linear degrees of freedom along the X, Y, 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 (degree of freedom during gripping, compression of the executive surfaces of the surgical instrument);
• Производить оценку вращательной/скручивающей силы, действующей на инструмент (три вращательные степени свободы вокруг осей Х, Y, Z);• Evaluate the rotational / torsional force acting on the tool (three rotational degrees of freedom around the axes X, Y, Z);
• При оценке сил учитывать силы, возникающие в месте контакта троакара с телом пациента;• When assessing forces, take into account forces arising at the site 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 the data on the efforts in the conditions of electromagnetic interference created by 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 occurs to the movement of the executive part of the instrument or when the parts of the instrument come into contact with the patient’s tissue, a bending of the sensing element of the strain gauge along the corresponding axis occurs. Since the instrument, located in the mounting structure of the surgical instrument, is in contact with the manipulator at two points, one of which is the location area of the trocar, and the other is the location area of the surgical instrument’s drive, efforts are 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 gauge sensors are connected directly to the digital processing modules, which amplify the signals and convert them to digital form. Digital processing modules can be located directly next to 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 the strain gauge sensors in close proximity to each used strain gauge sensor is preferred, since a high signal-to-noise ratio and resistance to external electromagnetic disturbances are provided.
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 force of capture / compression on the Executive surfaces of a surgical instrument, for example, jaws, current sensors can be used for engines that implement capture / compression. The principle of measuring the compression force is to increase the current consumption of the motors when resistance to the movement of the exciting elements of the tool structure occurs. Compression motors are part of the surgical instrument drive.
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 rotational moment around the Z axis, an electric motor current sensor can be used to ensure rotation around this axis. The principle of measuring torque is to increase the current consumed by the electric motor when resistance to movement occurs. Engines that rotate around the Z axis are part of the surgical instrument drive.
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 drive motors can be connected to an electric 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.Digital processing modules and motor control systems are connected to the processing module via a data bus. The data bus may be an 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, a torque sensor and a gripping force sensor. Using a separate device as a processing module 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. 10.
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 is sent to the control system of the robotic surgical complex (CNC system of the assisting surgical complex) and 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 tool is controlled through the robot-complex complex control system and the manipulator. When the instrument comes into contact with the patient’s tissues or trocar, forces appear that act on the instrument. The force assessment system determines these forces, converts the information into a digital signal, which is transmitted through the control system of the robotic surgical complex in the reverse order to the surgeon's controller. 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 tool.
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 feeling on the hand, as if it was touching the tissues. The movement of the instrument that is intuitive and coincides with the movements of the hand, as well as the tactile touch of the tissue with the instrument, makes the surgeon feel that he is holding the instrument directly in his hand during surgery on a robotic surgical complex.
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 positioning system of the manipulators secures the 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 as soon as possible 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 mounting mechanism (see Fig. 11) of the positioning system of the manipulators to the surgical table, in general, consists of two
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
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
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. The
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.At least one
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. A
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 a
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 moves in the plane of the surgical table, turning relative to the connecting element. The pivoting consoles 6002 and 6005 are rotatable in a horizontal plane so that the
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 displacements and provides a reduction in accuracy losses due to backlash. In a preferred embodiment, the positioning systems of the manipulators for all the above-described movements along the guides are responsible for ball screw gears (ballscrews) 6013, which drive the
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.As a
Совокупность движений всего механизма обеспечивает необходимое перемещение системы позиционирования по вертикальной плоскости боковой поверхности хирургического стола и осуществляет возврат манипуляторов в зону хранения. The set 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 the provision of linear movements along the lateral surface of the surgical table, the implementation of the necessary volume of movement for positioning the manipulator, and the creation of a rigid skeleton structure to achieve high accuracy. This arrangement of linear displacements provides a large coverage of the surgical field, while it has a more compact overall dimension of the entire positioning mechanism.
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 to monitor the surgical 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 visualization 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).The camera is widely defined in this application as any device structurally configured with the possibility of forming a stereo image, being inserted into the patient’s body. The image of the surgical field can be obtained optically using fiber optics, lenses and miniaturized imaging systems, for example, using a video endoscope (hereinafter referred to as the 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 introduced into the body through an opening in the patient's body. The entry point / plane is defined as a “zero point”, since all movements of the instrument or camera in the patient’s body are provided with two rotational degrees of freedom relative to this point and one linear degree of freedom. At the “zero point” is a trocar for additional fixation of instruments and the camera. There is also a “camera zero point” in the local coordinate system of the camera, with respect to which the camera position vector changes with the beginning at the “zero point” and with the end coinciding with the actual position of the camera end. The camera has a field of view, depending 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 field of view of the camera may have an area configured to be visible by 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.When the camera moves, the area of the field of view moves with the camera, which allows you to visually examine the operating area. The change in the scope also depends on the features of the camera’s movement. In this case, the surgeon should be guaranteed unambiguity in understanding the movement of the camera and the associated movement / change in the field of view within the surgical 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 implement camera movement compensation, namely, to implement a method for controlling the movement of the camera manipulator, which is part of a robotic surgical system, to reduce the number of movements of a stereo camera visualizing the surgical area in the surgical field.
Детальные шаги заявленного способа представлены ниже.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 и трех вращательных координат .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 and three rotational coordinates .
От правого контроллера хирурга (контроллера оператора) в систему автоматического управления передаются вектора От левого контроллера хирурга в систему автоматического управления передаются вектора From the right controller of the surgeon (operator controller) to the automatic control system are transmitted vectors From the left controller of the surgeon, vectors are transferred 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 обнуляются: When the camera manipulator pedal is pressed, the camera control mode is turned on, the signal from the pedal is transmitted not only to the automatic control system, but also to controllers that block the rotational degrees of freedom, and the vectors reset to zero:
Для управления камерным манипулятором достаточно трех поступательных степеней свободы, описываемых вектором . Three translational degrees of freedom described by a vector are enough to control a chamber manipulator .
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. The vectors obtained by the automatic control system are processed using an algorithm for differentiating and combining motion. The control is carried out using the relative movement of the controller from the moment the camera control starts, initialized by pressing the pedal. Thus, the flexibility of the control system is increased.
Управление камерой осуществляется обоими контроллерами одновременно. Таким образом, далее суммируется относительное перемещение каждого из контроллеров:The camera is controlled by both controllers simultaneously. Thus, the relative displacement of each of the controllers is summarized below:
Полученный вектор можно масштабировать, инвертировать, вращать вокруг ортогональных осей, составлять композиции поворотов. Любую из перечисленных математических операций можно осуществить при помощи векторного произведения.Received Vector You can scale, invert, rotate around the orthogonal axes, make up the composition of the turns. Any of the above mathematical operations can be carried out using a vector product.
Далее осуществляют масштабирование. Масштабирование представляет собой векторное произведение и строки , содержащей коэффициенты масштабирования для каждой координаты.Then carry out scaling. Scaling is a vector product and lines containing the scaling factors for each coordinate.
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.The scaling operation takes place in the scaling and integration unit. The scaled increment of the surgeon's controller signals obtained at the previous stage is added to the current position of the chamber manipulator in its local Cartesian coordinate system.
Таким образом, в блок компенсации движения в плоскости поступает расчетное положение камерного манипулятора в локальной декартовой системе координат. Thus, the calculated position of the chamber manipulator in the local Cartesian coordinate system enters the motion compensation block in the plane.
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:To control the manipulator, it is necessary to translate the calculated Cartesian coordinates into spherical. In this regard, the operations of translating vectors from one coordinate system to another are important. The translation from the Cartesian to the spherical coordinate system is carried out by the following algebraic transformations:
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 и . Расхождение средней линии кадра с линией горизонта вычисляется в блоке компенсации горизонта согласно формуле:In addition to the algorithm for compensating the movement of the manipulator in the plane, it is also necessary to implement an algorithm for comparing the horizon line with the center line of the frame, which consists in calculating the angle of difference between the horizon line and the center line of the frame, depending on the tilt angles and . The discrepancy of the midline of the frame with the horizon line is calculated in the horizon compensation block according to the formula:
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 motion control unit of the manipulator with a camera mounted on it, for its movement inside the patient in order to display the surgical field. At the same time, the manipulator with the camera performs both translational movements to compensate for the movement of the camera and controllers, and rotates around its longitudinal axis to level the horizon line and the midline of the frame of the image received from the camera. The above steps of the proposed method, carried out using an automatic control system for the camera manipulator, are described according to the block diagram shown in figure 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 about the movement of the right and left surgeon controllers is obtained. In the next step, it is determined whether the signal from the pedal has been received. In the event that the signal from the pedal that switches the controllers to the camera control mode is input to the automatic control system, a signal is triggered about the start 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 fed sequentially to the computing unit of the derivatives for the right and left controllers, the increment of which is the total movement.
На следующем этапе данное перемещение обязательно масштабируют с учетом отдаления эндоскопа от нулевой точки. At the next stage, this movement is necessarily 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 ,, на основе которых на следующем этапе вычисляют величину компенсации линии горизонта . Полученный набор данных ,передают на манипулятор камеры. После чего этапы повторяют.Next, the obtained increment is integrated with the position of the manipulator in its Cartesian coordinate system. This compensated movement plane is translated into spherical coordinates of the manipulator , on the basis of which at the next stage the horizon line compensation value is calculated . The resulting dataset , transmit 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 movement of the camera adds an intuitive interaction with the robotic complex and increases the efficiency of the robotic surgery.
Пример осуществления ассистирующего хирургического комплекса. An example 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 on an animal was performed - nephrectomy. A video was taken of the workplace of the surgeon operator to track the location of the hands at various stages of the operation for subsequent analysis of the convenience of control and interaction. The optimal landing of the operator-surgeon for the control console was made in such a way that excludes the possibility of placing hands in anatomically unnatural poses, which lead to increased fatigue.
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 predetermined axes, while ensuring the maximum amplitude of movement in the surgeon's working area. The work area does not hinder the surgeon's movements, design features allow, if necessary, to use the entire space limited by the width of the scope of the hands, in depth - the length of the hands, in height - 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 advantageous solutions, such as maximizing the use of space above the surgeon’s knees and the absence of protruding structural elements, preventing possible collisions, guarantee ease of use, which is an important factor for 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 six degrees of freedom of the controller that are implemented make it possible to fully realize the minimum necessary surgical operations for carrying out a robotic surgery — tissue grabbing, resection, suturing. The interaction of the surgeon with the controller when performing a nephrectomy on a pig is shown in Fig. 14.
После проведения операционного вмешательства было выявлено, что: After surgery, it was revealed that:
• хирургу не приходилось прилагать дополнительных усилий для совершения хирургических воздействий;• the surgeon did not have to make additional efforts to perform surgical procedures;
• 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 design - all necessary movements and rotations were carried out with maximum amplitude;
• эргономичность конструкции позволила снизить утомляемость и усталость по сравнению с аналогами при проведении длительных операций;• ergonomic design has reduced fatigue and fatigue compared to peers during long-term operations;
• предложенная конструкция контроллера повысила удобство управления роботохирургическим комплексом по сравнению с аналогами;• the proposed controller design increased the convenience of controlling 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.Although the present patent application relates to what is defined in the appended claims, it is important to note that this patent application contains the basis for the wording of other inventions that may, for example, be claimed as an object of the amended claims of the present application or as an object of the claims in the highlighted and / or a continuing application. Such an object may be characterized by any feature or combination of features described herein.
Claims (41)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020111528A RU2720830C1 (en) | 2020-03-19 | 2020-03-19 | Assisting surgical complex |
PCT/RU2021/050048 WO2021188017A1 (en) | 2020-03-19 | 2021-02-25 | Assistive surgical complex |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020111528A RU2720830C1 (en) | 2020-03-19 | 2020-03-19 | Assisting surgical complex |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2720830C1 true RU2720830C1 (en) | 2020-05-13 |
Family
ID=70735213
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020111528A RU2720830C1 (en) | 2020-03-19 | 2020-03-19 | Assisting surgical complex |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2720830C1 (en) |
WO (1) | WO2021188017A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2757645C1 (en) * | 2021-02-15 | 2021-10-19 | Александр Дмитриевич Чупров | Surgical stereovision system |
RU2760468C1 (en) * | 2020-10-29 | 2021-11-25 | Бэйцзин Вемед Медикал Эквипмент Ко., Лтд. | Universal robot for interventional angiographic surgery and interventional therapeutic surgery |
RU2774990C1 (en) * | 2021-09-07 | 2022-06-24 | Акционерное общество "Казанский электротехнический завод" | Method for controlling a robotic surgical complex |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101713676B1 (en) * | 2008-10-20 | 2017-03-08 | 더 존스 홉킨스 유니버시티 | Environment Property Estimation And Graphical Display |
EP3159124A1 (en) * | 2014-06-19 | 2017-04-26 | Olympus Corporation | Manipulator control method, manipulator, and manipulator system |
JP6165080B2 (en) * | 2014-02-21 | 2017-07-19 | オリンパス株式会社 | Initialization method of manipulator system |
GB2549072A (en) * | 2016-03-24 | 2017-10-11 | Cambridge Medical Robotics Ltd | Robot control |
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 |
US20190047151A1 (en) * | 2015-09-29 | 2019-02-14 | Koninklijke Philips N.V. | Automatic robotic arm calibration to camera system using a laser |
CN208575867U (en) * | 2018-03-13 | 2019-03-05 | 王君豪 | A kind of long-range control robot arm system carrying medical detection sensor |
WO2019074670A1 (en) * | 2017-10-10 | 2019-04-18 | Auris Health, Inc. | Surgical robotic arm admittance control |
US20190327394A1 (en) * | 2017-04-24 | 2019-10-24 | Truevision Systems, Inc. | Stereoscopic visualization camera and integrated robotics platform |
-
2020
- 2020-03-19 RU RU2020111528A patent/RU2720830C1/en active
-
2021
- 2021-02-25 WO PCT/RU2021/050048 patent/WO2021188017A1/en active Application Filing
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101713676B1 (en) * | 2008-10-20 | 2017-03-08 | 더 존스 홉킨스 유니버시티 | Environment Property Estimation And Graphical Display |
JP6165080B2 (en) * | 2014-02-21 | 2017-07-19 | オリンパス株式会社 | Initialization method of manipulator system |
EP3159124A1 (en) * | 2014-06-19 | 2017-04-26 | Olympus Corporation | Manipulator control method, manipulator, and manipulator system |
US20190047151A1 (en) * | 2015-09-29 | 2019-02-14 | Koninklijke Philips N.V. | Automatic robotic arm calibration to camera system using a laser |
GB2549072A (en) * | 2016-03-24 | 2017-10-11 | Cambridge Medical Robotics Ltd | Robot control |
US20190327394A1 (en) * | 2017-04-24 | 2019-10-24 | Truevision Systems, Inc. | Stereoscopic visualization camera and integrated robotics platform |
WO2019074670A1 (en) * | 2017-10-10 | 2019-04-18 | Auris Health, Inc. | Surgical robotic arm admittance control |
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 |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2760468C1 (en) * | 2020-10-29 | 2021-11-25 | Бэйцзин Вемед Медикал Эквипмент Ко., Лтд. | Universal robot for interventional angiographic surgery and interventional therapeutic surgery |
RU2757645C1 (en) * | 2021-02-15 | 2021-10-19 | Александр Дмитриевич Чупров | Surgical stereovision system |
RU2774990C1 (en) * | 2021-09-07 | 2022-06-24 | Акционерное общество "Казанский электротехнический завод" | Method for controlling a robotic surgical complex |
RU218833U1 (en) * | 2021-10-19 | 2023-06-14 | Илья Олегович Зенин | High Speed Precision Gantry Robot Arm |
RU2802453C1 (en) * | 2023-03-27 | 2023-08-29 | Александр Дмитриевич Чупров | Surgical stereo vision system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021188017A1 (en) | 2021-09-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2720830C1 (en) | Assisting surgical complex | |
Berkelman et al. | A compact, compliant laparoscopic endoscope manipulator | |
Zemiti et al. | Mechatronic design of a new robot for force control in minimally invasive surgery | |
US20190333635A1 (en) | Surgical teleoperated device for remote manipulation | |
Hong et al. | Design of a novel 4-DOF wrist-type surgical instrument with enhanced rigidity and dexterity | |
Guthart et al. | The Intuitive/sup TM/telesurgery system: overview and application | |
Tavakoli et al. | Haptic interaction in robot‐assisted endoscopic surgery: a sensorized end‐effector | |
Pierrot et al. | Hippocrate: A safe robot arm for medical applications with force feedback | |
CN111084661A (en) | Operation support device, method of controlling the same, and recording medium | |
US8740882B2 (en) | Medical robotic system and method of controlling the same | |
CN108366835B (en) | Robotic surgical system with independent roll, pitch, and yaw scaling | |
De Donno et al. | Introducing STRAS: A new flexible robotic system for minimally invasive surgery | |
RU135957U1 (en) | ROBOT MANIPULATOR | |
EP2231051A1 (en) | Medical robotic system with functionality to determine and display a distance indicated by movement of a tool robotically manipulated by an operator | |
CN109316239B (en) | Minimally invasive surgery robot main manipulator and system based on magnetic navigation sensing | |
Guo et al. | A surgeon’s operating skills-based non-interference operation detection method for novel vascular interventional surgery robot systems | |
WO2012127404A2 (en) | Ergonomic handle for haptic devices | |
Low et al. | A review of master–slave robotic systems for surgery | |
RU2718595C1 (en) | Operator control unit for robotic surgical complex | |
JP2020065910A (en) | Surgery assistance apparatus | |
JP2020065904A (en) | Surgery assistance apparatus | |
van den Bedem | Realization of a demonstrator slave for robotic minimally invasive surgery | |
Wu et al. | Robot-enabled uterus manipulator for laparoscopic hysterectomy with soft RCM constraints: Design, control, and evaluation | |
RU2718568C1 (en) | Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller | |
Peine et al. | Effect of backlash on surgical robotic task proficiency |