Медицинская роботизированная система

Медицинская роботизированная система

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Заявляемое изобретение относится к области медицинского оборудования, а конкретнее к медицинской роботизированной системе для выполнения медицинских процедур, в частности хирургического вмешательства, такого как минимальное инвазивное вмешательство.

Предпосылки изобретения

Хорошо известно, что в противопоставление лапаротомии, минимальное инвазивное медицинское вмешательство имеет преимущество уменьшения количества окружающей ткани, которая поражается во время диагностического или хирургического вмешательства. Это приводит к сокращению времени выздоровления пациента, уменьшению дискомфортных и вредоносных побочных эффектов и снижению затрат на пребывание в больнице. В настоящее время в общей хирургии, урологии, гинекологии и кардиологических специальностях наблюдается увеличение количества хирургических операций, выполненных минимальным инвазивным методом, таким как лапароскопическим методом.

Минимальные инвазивные методы в целом и лапароскопии в частности устанавливают, однако, более жесткие требования для хирургов, выполняющих операцию. Хирург проводит операцию в неудобных условиях и изнурительных позах, имея ограниченное поле зрения, стесненную свободу передвижения и плохое тактильное ощущение. К данным проблемам добавляется тот факт, что хирургам часто приходится выполнять несколько последовательных вмешательств в день, где каждое продолжается, например, от 30 минут до нескольких часов. Несмотря на данные трудности, тенденция минимальных инвазивных вмешательств, вероятно, резко возрастет в ближайшие годы ввиду старения населения и давления цен в медицинской отрасли.

Очевидно, в лапароскопии от хирурга потребуется быть таким же точным в своих движениях, как в лапаротомии. Манипулирование инструментами с длинными ручками с ловкостью движений, ограниченных до четырех степеней свободы вокруг центра вращения в месте ввода инструмента, т.е. в месте вмешательства в тело пациента, не облегчает данное задание. Осложнения возникают, среди прочего, в тех случаях, когда необходимая поза является довольно утомительной и снижает уже ограниченное восприятие взаимодействующих сил между инструментом и тканью. Например, когда хирург стоит около пациента, он должен поднять и удерживать вытянутой одну из своих рук, чтобы удержать инструмент, вставленный на противоположной стороне пациента. В результате моторные способности хирурга ослабевают, как правило, через 20-30 минут, так что среди прочего возникает дрожь, потеря точности и потеря тактильной чувствительности, представляющие риск для пациента. Поэтому появляются новые технологии, такие как роботизированная лапароскопия, нацеленные на повышение эффективности, качества и безопасности операционных вмешательств.

Принимая во внимание сказанное выше, в начале девяностых годов роботизированная лапароскопия получила значительное развитие. Две типичные, серийно выпускаемые роботизированные хирургические системы - это хирургическая система, известная под торговой маркой "DA VINCI", разработанная компанией Intuitive Surgical Inc., Саннивейл, Калифорния, и хирургическая система, известная под торговой маркой "ZEUS", первоначально разработанная компанией Computer Motion Inc., Голета, Калифорния. Хирургическая система, известная под именем "DA VINCI", описана помимо других Молом и др. (Moll et al.) в патентах US 6,659,939; US 6,837,883 и других патентных документах того же самого патентообладателя. Хирургическая система, известная под именем "ZEUS", описана помимо других Вонг и др. (Wang et al.) в патентах US 6,102,850; US 5,855,583; US 5,762,458; US 5,515,478 и другой патентной литературе, переуступленной компании Computer Motion Inc., Голета, Калифорния.

Данные телеуправляемые роботизированные установки позволяют управлять хирургическим вмешательством либо напрямую из операционного зала, либо из удаленного местоположения, используя обратный визуальный контроль на панели управления. В любом случае, утомительная поза хирурга исключается.

Кроме высоких затрат на приобретение и эксплуатационных расходов данных роботизированных систем, их распространение и признание в медицинском сообществе ограничивается, среди прочего, ввиду дефицита разнообразия. Обе системы были разработаны специально для кардиологической хирургии, в которой топологическая анатомия постоянна, рабочее место мало и поэтому точность движения инструмента и манипуляционные возможности требуются только в ограниченном пространстве. Следовательно, механическая конструкция данных систем не совсем удобна для использования в других видах хирургии (включая гинекологию, урологию и общую хирургию), в которых рабочее пространство больше, чем в кардиологии, анатомическая топология варьируется (даже иногда непредсказуемо), а механические свойства ткани и органов различны.

Вне зависимости от этих двух конкретных систем, механическая разработка манипуляторов в роботизированных хирургических системах в настоящий момент допускает значительную возможность улучшения в различных аспектах, среди которых универсальность системы является одним из многих.

Задача изобретения

Исходя из этого, цель рассматриваемого изобретения заключается в разработке медицинской роботизированной системы для выполнения хирургического вмешательства, содержащей робот-манипулятор, имеющий усовершенствованную кинематическую конфигурацию.

Общее описание изобретения

Для достижения данной цели предлагается медицинская роботизированная система для выполнения хирургического вмешательства, в частности лапароскопического вмешательства, содержащая робот-манипулятор для роботизированного перемещения медицинских инструментов, в частности лапароскопического хирургического инструмента, как изложено ниже. В соответствии с одним аспектом изобретения, робот-манипулятор содержит основание, руку манипулятора, имеющую по существу вертикальную часть, поддерживаемую основанием, и по существу горизонтальную часть, поддерживаемую вертикальной частью; запястный шарнир манипулятора, поддерживаемый рукой манипулятора; и исполнительный блок, поддерживаемый запястным шарниром манипулятора и скомпонованный для удержания медицинского инструмента. В соответствии с другим аспектом изобретения, рука манипулятора имеет цилиндрическую PRP кинематическую конфигурацию для координатного перемещения запястного шарнира манипулятора. В частности, PRP кинематическая конфигурация имеет следующую последовательность сочленений: призматическое первое сочленение для изменения высоты вертикальной части путем обеспечения поступательной степени свободы вдоль по существу вертикальной оси, вращательное второе сочленение для изменения угла поворота между вертикальной частью и горизонтальной частью путем обеспечения вращательной степени свободы вокруг по существу вертикальной оси, и призматическое третье сочленение для изменения досягаемости горизонтальной части путем обеспечения поступательной степени свободы вдоль по существу горизонтальной оси.

Среди других преимуществ, описанных ниже, эта конкретная кинематическая конфигурация руки манипулятора обеспечивает:

- уменьшение пространства, необходимого над пациентом для одной руки одиночного манипулятора, которая позволяет, среди прочего, использовать увеличенное количество отдельных рук манипулятора при данном вмешательстве;

- размещение основания манипулятора на определенном расстоянии от пациента таким образом, что перемещение манипулятора робота в исходное состояние в случае опасности требует лишь поворота горизонтальной части руки в компактное положение;

- облегчение доступа персонала к пациенту, а также к месту расположения хирургических инструментов, например сменных инструментов;

- облегчение предотвращения столкновения взаимопересекающихся рук манипулятора;

- использование минимума сочленений в самой руке манипулятора, т.е. только три сочленения для обеспечения трех степеней свободы для координатного перемещения запястного шарнира, при котором любые излишние сочленения, в частности пассивные сочленения, устраняются.

Становится понятным, что возможны различные размещения осей конфигурации PRP. Указанное выше размещение осей рассматривается как наиболее удобная кинематическая конфигурация для настоящего описываемого применения. В дальнейшем становится понятным, что среди прочего в плане кинематики, требований к приводу и управлению робота, цилиндрическая PRP конфигурация робота фундаментально отличается от, например, PRR конфигурации, как, например, описано в патенте US 5'351'676, или RPP конфигурации, как описано в патенте US 6'120'433.

Далее, специалист понимает, что предложенная здесь кинематическая конфигурация критически оценивает укоренившуюся веру в то, что SCARA, т.е. определенный тип PRP конфигурации, рассматривается как наиболее подходящий тип для лапароскопического применения. Данная давно устоявшаяся вера подтверждена в патентах и научной литературе, например, «Аналитическое исследование роботов "Оптимальная разработка позиционирующих стендов для лапароскопии" ("A Robotic Case Study: Optimal Design For Laparoscopic") А.Фараз и Ш. Паянде (A. Faraz and Sh. Payandeh); Доклады на сетевой конференции 1997 IEEE по робототехнике и автоматизации, апрель 1997 г.(в частности, см. параграф 2.2) (Proceedings of the 1997 IEEE Int. Conf. On Robotics and Automation; April 1997 (see paragraph 2.2 in particular).

Более того, предлагаемая кинематическая конфигурации содействует увеличенному разнообразию систем. Другими словами, данная разработка робота-манипулятора представляет систему пригодной для множества применений, особенно для минимальной инвазивной хирургии, а также для ортопедических и биопсических вмешательств, для подкожной терапии, для забора кожного трансплантата, для ультразвуковой диагностики и т.п.

Как должно быть понятно, описанная роботизированная система порывает отношения с системой воззрений, согласно которой кинематическая конфигурация SCARA представляет собой наиболее подходящий выбор в конкретном случае роботизированной хирургической системы. Типичным примером медицинской роботизированной системы, использующей манипуляторы с конфигурацией SCARA, является вышеупомянутая система, известная под торговой маркой "ZEUS", описанная, например, в патентах US 6,102,850; US 5,855,583; US 5,762,458 и US 5,515,478.

Что касается разнообразия медицинской роботизированной системы, то существующие системы, как правило, разработаны для специфического типа хирургического вмешательства. Системы "DA VINCI" и "ZEUS", например, были разработаны специально для кардиологической хирургии. Поэтому, как упоминалось выше, данные системы разрабатывают для специальных шарнирных инструментов. Более того, из-за ограниченного рабочего пространства при кардиологических хирургических вмешательствах передвижение инструмента, как правило, укорочено от команд хирурга на тактильном интерфейсе в данных системах. В общей лапароскопической хирургии (включая гинекологию, урологию и общую хирургию) рабочее пространство больше, чем в кардиологии, анатомическая топология варьируется (даже иногда непредсказуемо) и механические свойства ткани и органов различны. Большее рабочее пространство влечет за собой больший диапазон перемещения инструмента и требует отношение фактического движения к интерфейсному в виде 1:1. В результате, в общей лапароскопии необходима увеличенная динамика движений для того, чтобы точно следовать движению руки хирурга. Из экспериментальных попыток было выявлено, что рука хирурга имеет высокую скорость в маленьком рабочем пространстве и поэтому очень большое ускорение. Скорость может достигать 100°/с вдоль угла поворота по поперечной и горизонтальной осям и 200 мм/с в направлении проникновения. При отношении движения 1:1 и в упомянутых условиях система подвержена вибрации, колебаниям и потере точности. Манипулятор робота, описанный более подробно ниже, разработан для уменьшения таких проблем и, следовательно, более удобен для многообразия вмешательств общей лапароскопической хирургии.

Более того, многие существующие системы имеют на сегодняшний день кроме манипулятора для эндоскопа только два манипулятора для хирургических инструментов. Это влечет за собой увеличение времени хирургического вмешательства из-за частой и сложной процедуры замены инструмента. При типичном вмешательстве хирург использует от пяти до семи различных типов инструментов и часто требует их замены до нескольких десятков раз. Обычно замена инструмента требует от 5 до 10 секунд в зависимости от квалификации ассистента хирурга, и эти замены составляют значительное время в общей продолжительности операции (до приблизительно 10-20%). Многие существующие роботизированные системы не совсем удобны для типичных хирургических вмешательств, требующих три или четыре входных отверстия для вставления инструмента. Другие системы ограничены до диагностических вмешательств, которые, как правило, короче по продолжительности (около 20 минут) и часто не оправдывают стоимость роботизированной системы. В идеале, роботизированная хирургическая система должна быть модульной и иметь способность справляться с до 4-мя входными отверстиями для вставления инструмента и одним входным отверстием для эндоскопа. Значительным ограничением, касающимся конструкции подходящих манипуляторов, является то, что некоторые входные отверстия могут быть удалены друг от друга только на несколько сантиметров, а соответствующие инструменты могут потребовать размещения, близкого к параллельному или один над другим. В дополнение желательно, чтобы манипуляторы не чрезмерно ограничивали взгляд хирурга на тело пациента и входные отверстия. Медицинская роботизированная система, прежде всего по причине кинематической конфигурации руки манипулятора, а также благодаря различным другим описанным ниже признакам, рассматриваемым по существу как обладающие признаками изобретения, среди всего прочего, решает вышеупомянутые вопросы и облегчает одновременное использование множества роботов-манипуляторов.

Другое, относящееся к данной проблеме, ограничение существующих систем касается недостатка надежных и безопасных средств для предотвращения столкновений между различными манипуляторами, между манипуляторами и персоналом в операционном зале и между инструментами и эндоскопом. Любое потенциальное столкновение, однако, представляет серьезный риск для здоровья пациентов и, возможно, для обслуживающего персонала и, следовательно, эффективность предотвращения столкновений в роботизированной хирургической системе имеет большое значение. Данная проблема, очевидно, становится более критической при увеличении количества манипуляторов робота, используемых во время определенного хирургического вмешательства. Ввиду кинематической конфигурации PRP, с одной стороны, риски потенциального столкновения снижаются из-за уменьшенного заграждения самой рукой манипулятора и, с другой стороны, упрощаются способы определения и предотвращения столкновений.

Становится понятным, что система обеспечивает необходимую маневренность с минимальным количеством сочленений, т.е. с 6 степенями свободы - только с 6 сочленениями. Никаких других избыточных сочленений не предусматривается. В частности, особые инструменты с сочлененными удаленными концами инструмента не требуются. Более того, все сочленения приводятся в действие, т.е. необходимо сказать, что в манипуляторе робота нет пассивных или свободно вращающихся сочленений, в силу чего управление роботом в значительной степени усовершенствовано. Устранение избыточных пассивных сочленений, которые используется в известных системах, главным образом, для предотвращения трокарного воздействия, достигается, среди прочего, путем установки датчикового узла (датчика в сборе) на стыковке между шестым сочленением и приводом лапароскопического инструмента. Данное размещение датчикового узла позволяет измерение силы и сдерживание ограничения не только на уровне кончика инструмента, но также на уровне трокара. Еще одна особенность видится в том, что запястный шарнир и сочленения исполнительного блока являются вращаемыми, т.е. на этих частях нет призматических сочленений.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, который, среди прочего, увеличивает жесткость манипулятора, первое (Р) сочленение имеет вертикальную линейную направляющую и первый линейный привод, предпочтительно вал с шаровым и винтовым соединениями с линейным перемещением, для приведения в действие первого сочленения. Подобным образом третье (Р) сочленение имеет горизонтальную линейную направляющую и второй линейный привод, предпочтительно вал с шаровым и винтовым соединениями с линейным перемещением, для приведения в действие третьего (Р) сочленения. Более того, и первое, и третье сочленения имеют ограничитель хода и датчик абсолютного отсчета, соответственно связанный с ним.

Для того чтобы предохранить компоненты вертикальной части и свести к минимуму габариты основного участка вертикальной части над пациентом, предпочтительно, что горизонтальная часть имеет продолговатый кожух, который заключает в себе горизонтальную линейную направляющую и второй линейный привод, при этом горизонтальная часть содержит балку, которая телескопически вытягивается относительно кожуха на одной стороне и поддерживает запястный шарнир на другой стороне.

Преимущественно, второе (R) сочленение имеет передаточный механизм, предпочтительно передаточный механизм с волновой передачей, мотор, предпочтительно бесщеточный сервомотор, связанный с входной ступенью передаточного механизма, и датчик абсолютного отсчета, связанный с выходной ступенью передаточного механизма. Таким образом, достигается компактная конструкция, которая дополнительно позволяет определение неисправности приводного механизма на втором (R) сочленении.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения запястный шарнир манипулятора содержит вращательное (R) четвертое сочленение и вращательное (R) пятое сочленение для ориентации исполнительного блока. Следовательно, рука манипулятора и запястный шарнир манипулятора вместе обеспечивают точно пять контролируемых степеней свободы.

Для того чтобы гарантировать определенное расстояние от пациента, которое облегчает доступ для персонала, например, в случае опасности, горизонтальная часть руки в предпочтительном варианте исполнения изобретения имеет минимальное отклонение штанги 800 мм, т.е. определенное минимальное расстояние между осями вращения второго и четвертого (R) сочленений. Можно отметить, что занимаемое основанием пространство должно быть принято во внимание при расчетах отклонения, необходимого для беспрепятственного прохождения персонала.

В предпочтительном варианте исполнения изобретения ось вращения четвертого (R) сочленения и второго (R) сочленения параллельны. Более того, предпочтительно, чтобы ось вращения четвертого (R) сочленения была расположена в одной плоскости с плоскостью, образованной осью вращения второго (R) сочленения и осью перемещения третьего (Р) сочленения.

Конкретнее, в предпочтительной конфигурации, четвертое (R) сочленение обеспечивает вращательную степень свободы вдоль по существу вертикальной оси для установки угла наклона в поперечном направлении исполнительного блока и пятое (R) сочленение обеспечивает вращательную степень свободы вдоль по существу горизонтальной оси для установки угла наклона в продольном направлении исполнительного блока. Конечно, угол наклона в поперечном направлении зависит также от фактической конфигурации второго (R) сочленения. Последнее, таким образом, учитывается для установки угла наклона в поперечном направлении посредством четвертого (R) сочленения. В сочетании с кинематической конфигурацией руки манипулятора данная конфигурация избегает сингулярности манипулятора, как становится яснее из описания ниже. Упрощенная взаимообратная кинематика и усовершенствованная маневренность достигаются в предпочитаемом варианте осуществления изобретения, в котором запястный шарнир содержит:

опорную плиту, соединенную с горизонтальной частью руки, и по существу L-образный опорный элемент, при этом четвертое (R) сочленение соединяет первый горизонтальный участок опорного элемента с опорной плитой, а пятое (R) сочленение соединяет второй вертикальный участок опорного элемента с соединительным средством для исполнительного блока, при этом запястный шарнир скомпонован таким образом, что оси вращения четвертого (R) сочленения и пятого (R) сочленения перпендикулярны и имеют точку пересечения.

Для роботизированных манипуляций лапароскопическими инструментами исполнительный блок содержит привод лапароскопического инструмента, имеющий средства для крепления хирургического инструмента к манипулятору, и линейный исполнительный механизм для приведения в действие прикрепленного хирургического инструмента. В последней конфигурации для лапароскопических инструментов предпочтительно, что исполнительный блок содержит основную опорную раму для присоединения исполнительного блока к запястному шарниру и вращательное (R) шестое сочленение, которое соединяет привод лапароскопического инструмента с основной опорной рамой, при этом шестое (R) сочленение обеспечивает вращательную степень свободы вдоль оси, которая совпадает с продольной осью хирургического инструмента, прикрепленного к приводу лапароскопического инструмента, для установки угла вращения прикрепленного хирургического инструмента.

В последнем варианте осуществления изобретения целесообразно, чтобы оси вращения шестого (R) сочленения и пятого (R) сочленения были перпендикулярны. Тем не менее, также можно предположить, например, при применении роботизированной системы в другом типе хирургии помимо минимального инвазивного вмешательства, что данные оси могут быть наклонными, например, чтобы избежать сингулярности из-за возможного наложения шестого и четвертого (R) сочленений.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения запястный шарнир манипулятора скомпонован таким образом, что оси вращения шестого (R) сочленения и четвертого (R) сочленения смещены на расстояние, соответствующее приблизительно диаметру привода лапароскопического инструмента в его наибольшем поперечном сечении. Данный вариант осуществления позволяет работать двум роботизированным манипуляторам при близко размещенном надрезе с пониженным риском столкновения.

Для того чтобы позволить обратную связь по усилию на тактильном интерфейсе хирурга, исполнительный блок в предпочтительном варианте осуществления изобретения включает в себя датчиковый узел, содержащий датчик силомоментного очувствления с 6 степенями свободы, и акселерометр линейных и угловых ускорений, совпадающий с 6 степенями свободы, при этом узел соединяет привод лапароскопического инструмента с шестым (R) сочленением. Данный датчиковый узел позволяет измерять линейное и угловое ускорения и отклонение привода лапароскопического инструмента, и любые силы или моменты, прилагаемые к телу пациента вставленным инструментом. Линейный и угловой акселерометры используют для компенсации влияния гравитации и ускорения на датчик силомоментного очувствления.

Многие существующие медицинские роботизированные системы испытывают недостаток обратной связи по усилию и, таким образом, лишают хирурга восприятия прилагаемой к тканям пациента силы. Таким образом, хирург может надеяться только на визуальную обратную связь своих движений для того, чтобы ограничить воздействие инструмента на ткани. Фактически, обратная связь по усилию значительно повышает безопасность при использовании роботов для хирургической лапароскопии. В дополнение, тактильное очувствление относится к ощупыванию органов для удержания вязких органов инструментом, который отсутствует в поле видимости эндоскопа, для применения достаточного натяжения для сшивания и избегания разрывов, для обнаружения чрезмерных сил, прилагаемых к органам и, следовательно, прекращения или ограничения движения, для ограничения сил, прилагаемых на трокарное рассечение, и т.п. В работе "Разработка приводных пинцетов и пинцетов со встроенным датчиком для роботизированной хирургии минимальной инвазии". Б. Кюблер, У. Зайболд и Г.Хирцингер, Годовая конференция немецкого общества компьютерно- и роботассистируемой хирургии, октябрь 8-9, 2004, Мюнхен, Германия («Development of actuated and sensor integrated forceps for minimally invasive robotic surgery» by B.Kübler, U.Seibold и G.Hirzinger - Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC); был представлен миниатюрный датчик силомоментного очувствления с 6 степенями свободы, установленный на кончике инструмента. Данная концепция имеет несколько недостатков, среди которых повышенные затраты на инструмент, недостаточность эксплуатационной надежности в отношении стерилизации и проблем экранирования от внутренних радиопомех, в случае использования с электроприводными инструментами.

В отношении конструкции привода, четвертое (R) сочленение, пятое (R) сочленение и/или шестое сочленение имеет мотор, предпочтительно бесщеточный сервомотор, передаточный механизм, имеющий соединенную с валом мотора входную ступень, ременную передачу, соединенную с выходной ступенью передаточного механизма для передачи движения соответствующему сочленению, и датчик абсолютного отсчета, соединенный с ременной передачей. Данная конструкция позволяет определение неисправности сочленения на конце трансмиссионной цепи.

Для определения проникновения персонала в рабочее пространство манипулятора, основание каждого робота-манипулятора предпочтительно имеет лазерный сканер дальности.

Краткое описание чертежей

Вышеупомянутые аспекты, также как и другие изобретательские аспекты и предметы настоящего изобретения, становятся очевидными из следующего подробного описания, не ограниченного вариантами, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фигура 1: является перспективным изображением медицинской роботизированной системы для универсальной хирургической лапароскопии в операционном зале с тремя роботизированными манипуляторами, установленными вокруг операционного стола, на котором лежит пациент;

Фигура 2: является перспективным изображением медицинской роботизированной системы для универсальной хирургической лапароскопии с пятью роботизированными манипуляторами;

Фигура 3: является перспективным изображением робота-манипулятора медицинской роботизированной системы фигуры 1 и фигуры 2, показывающим основные координатные системы;

Фигура 4: является перспективным изображением робота-манипулятора фигуры 3, частично разобранного на основные части;

Фигура 5: является блок-схемой кинематической конфигурации робота-манипулятора фигуры 3, включающего сочленения J1-J6;

Фигура 6: является видом сверху роботизированной хирургической системы с пятью роботизированными манипуляторами, иллюстрирующим коробки распознавания 2 D столкновения, включающие в себя компоненты манипулятора;

Фигура 7: является перспективным изображением основания робота-манипулятора фигуры 3;

Фигура 8: является видом сверху медицинской роботизированной системы, показывающим лазерное 2 D распознавание для того, чтобы распознать приближение помощника хирурга к манипулятору робота;

Фигура 9: является перспективным изображением внутренних компонентов сочленений J1, J2 и J3 робота-манипулятора фигуры 3;

Фигура 10: является перспективным изображением внутренних компонентов сочленения J2, робота-манипулятора фигуры 3;

Фигура 11: является первым перспективным изображением внутренних компонентов запястного шарнира манипулятора, включающего в себя сочленения J4 и

J5;

Фигура 12: является вторым перспективным изображением внутренних компонентов запястного шарнира манипулятора, включающего в себя сочленения J4 и J5;

Фигура 13: является третьим перспективным изображением внутренних компонентов запястного шарнира манипулятора, включающего сочленения J4 и J5;

Фигура 14: является перспективным изображением, показывающим исполнительный блок робота-манипулятора фигуры 3 и приспособленный инструмент, который должен быть соединен с исполнительным блоком;

Фигура 15: является перспективным изображением основных внутренних компонентов исполнительного блока фигуры 14;

Фигура 16: является перспективным изображением системы координат опорной точки;

Фигура 17: является перспективным изображением переходника инструментального стержня (ПИС) и соответствующего инструментального стержня;

Фигура 18: является увеличенным перспективным видом привода лапароскопического инструмента (ПЛИ), как показано на фигуре 14;

Фигура 19: является перспективным изображением привода в сборе в ПЛИ фигуры 18;

Фигура 20: является перспективным изображением снизу, показывающим другие внутренние компоненты ПЛИ, показанные на фигуре 18;

Фигура 21: является перспективным изображением сверху, показывающим другие внутренние компоненты ПЛИ, показанные на фигуре 18;

Фигура 22: является перспективным изображением, показывающим механизм сочленения, используемый в ПЛИ, показанный на фигуре 18;

Фигура 23: является перспективным изображением робота-манипулятора в соответствии с фигурой 3, имеющим модифицированный запястный шарнир манипулятора;

Фигура 24: является перспективным изображением медицинской роботизированной системы для универсальной хирургической лапароскопии с четырьмя роботизированными манипуляторами в соответствии с фигурой 23 и одним роботом-манипулятором в соответствии с фигурой 3;

Фигура 25: является перспективным изображением варианта осуществления привода лапароскопического инструмента (ПЛИ) для использования в исполнительном блоке, показанном на фигуре 14;

Фигура 26: является перспективным изображением ПЛИ фигуры 24 с вариантом осуществления переходника инструментального стержня (ПИС), соединенного с ПЛИ;

Фигура 27: является перспективным изображением привода в сборе, используемого в ПЛИ фигуры 24;

Фигура 28: является другим перспективным изображением ПИС, показанного на фигуре 26;

Фигура 29: является частично вскрытым перспективным изображением ПИС, показанного на фигуре 26;

Фигура 30: является другим частично вскрытым перспективным изображением ПИС, показанного на фигуре 26 и фигуре 28 с другим инструментом, подсоединенным к переходнику.

На этих чертежах везде используются одинаковые номера ссылок, для всех идентичных частей.

Подробное описание со ссылкой на чертежи

Фигура 1 показывает медицинскую роботизированную систему для универсальной хирургической лапароскопии, в общем обозначенную ссылочным номером 10. Пациент Р, накрытый стерильной простыней, лежит на операционном столе 12, вокруг которого располагается множество роботизированных манипуляторов 14. В показанном на фигуре 1 примере медицинская роботизированная система 10 установлена для хирургического вмешательства в почечной области. Хирург S работает с главной хирургической панелью управления 15 и помощник хирурга А стоит около операционного стола 12 и рядом с лотком 16 с набором подходящих лапароскопических инструментов 18. Роботизированные манипуляторы 14 разработаны для позиционирования и ориентации исполнительного блока, который удерживает и по возможности приводит в действие различные виды лапароскопических инструментов 18. Во время операции роботизированные манипуляторы 14 управляются дистанционно одним или более хирургами S через один или более главных хирургических пультов управления 15, которые соединены в блок управления (не показан). Как становится понятным, медицинская роботизированная система 10 является модульной и настраиваемой в соответствии с типом хирургического вмешательства, имеющей в общем до 5 манипуляторов и обычно с минимальной конфигурацией, включающей в себя два манипулятора. Конфигурация медицинской роботизированной системы 10' с 5 манипуляторами 14 показана, например, на фигуре 2. Система 10, показанная на фигуре 1, оснащена лазерными сканерами 22 дальности, установленными на основании каждого робота-манипулятора 14. Лазерный сканер дальности 22 используется для безопасности хирургического вспомогательного персонала в операционном зале.

Фигура 3 является пространственным видом робота-манипулятора 14, который образует один механический блок роботизированной хирургической системы 10. Робот-манипулятор 14 установлен на основании 24, которое может быть закреплено на полу операционного зала и подвижно, когда не закреплено. Три координатные системы также показаны на фигуре 3, т.е. основания, инструментального патрона (ИП) и координатная система вершины лапароскопического инструмента (ВЛИ). Как видно на фигуре 3, робот-манипулятор 14 содержит руку 26 манипулятора и запястный шарнир 28 манипулятора.

На фигуре 4 показаны основные части робота-манипулятора 14. Рука 26 имеет по существу вертикальную часть 27 и по существу горизонтальную часть 29. Первый конец руки 26 на вертикальной части 27 должен быть закреплен к основанию 24, в то время как запястный шарнир 28 должен быть закреплен ко второму концу руки 26, т.е. к концу горизонтальной части 29. Исполнительный блок 30 для подходящего лапароскопического инструмента 18 должен быть соединен с инструментальным патроном 32 запястного шарнира 28. Как показано стрелками на фигуре 3, рука 26 имеет три степени свободы, а запястный шарнир 28 имеет две степени свободы. Соответственно, робот-манипулятор 14 является в целом роботизированным манипулятором с 5 степенями свободы. Дополнительная степень свободы для вращения лапароскопического инструмента 18, установленного на исполнительном блоке 30, вокруг своей продольной оси обеспечивается исполнительным блоком 30. Взаиморасположение степеней свободы робота-манипулятора 14 и исполнительного блока 30 становится более очевидным из следующего описания фигуры 5.

Как наилучшим образом видно на геометрической модели фигуры 5, рука 26 сочленяется с основанием 24 посредством первого сочленения J1, которое является призматическим (Р) скользящим сочленением (или сочленением прямолинейного движения). Первое сочленение J1 соединяется с основанием 24 посредством штанги основания L0 и обеспечивает поступательную степень свободы вдоль по существу вертикальной оси. Первое сочленение J1, таким образом, позволяет вертикальное позиционирование первого, по существу вертикального звена L1 и последующих компонентов, прикрепляемых к последнему, относительно основания 24 и звена L0. Другими словами, сочленение J1 определяет высоту вертикальной части 27. Второе сочленение J2, которое является вращательным (R) сочленением, соединяет первое звено L1 со вторым, по существу горизонтальным звеном L2 руки 26. Ось вращения вращательного сочленения J2 является по существу вертикальной. Сочленение J2 позволяет установить относительный угол между звеном L2 и его первоначальным угловым положением в горизонтальной плоскости. Третье призматическое скользящее (Р) сочленение J3 соединяет звено L2 с третьем, по существу горизонтальным звеном L3. Сочленение (Р) J3 обеспечивает поступательную степень свободы вдоль по существу горизонтальной оси и позволяет устанавливать досягаемость или вытягивание руки 26, а точнее горизонтальной части 29 посредством горизонтального смещения звена L3 относительно звена L2. Звенья L2 и L3 вместе с (Р) сочленением J3 образуют горизонтальную удлиняемую консоль или стрелу робота-манипулятора 14.

С двумя (Р) сочленениями и одним (R) сочленением, расположенными, как видно на фигуре 5, рука 26 имеет одну вращательную степень свободы вокруг по существу вертикальной оси и связанные с ней две поступательные степени свободы вдоль двух перпендикулярных осей. Соответственно, рука 26 робота-манипулятора 14 имеет цилиндрическую конфигурацию, т.е. кинематическая конфигурация манипулятора 14 принадлежит классу цилиндрических типов роботов PRP (Призматический - Ротационный - Призматический). А точнее, каждое сочленение из первых трех J1, J2, J3 в указанном порядке соответствует цилиндрическим координатам (z, θ, r): z являе