MX2008010057A

MX2008010057A - Sistema robotico medico con brazo del manipulador del tipo de coordenadas cilindricas.

Info

Publication number: MX2008010057A
Application number: MX2008010057A
Authority: MX
Inventors: Morales Emilio Ruiz
Original assignee: Euratom
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-11-12
Also published as: ES2689093T3; BRPI0707438B8; US20100204713A1; PL1984150T3; US9358682B2; WO2007088206A3; CA2635135C; BRPI0707438B1; RU2412799C2; JP2009525097A; CN101421080A; DK1984150T3; JP5148512B2; CY1120704T1; KR101306215B1; BRPI0707438A2; CN101421080B; EP1984150A2; KR20080100211A; EP1984150B1

Abstract

Un sistema robótico médico (10) para realizar procedimientos médicos que comprende un manipulador de robot (14) para el manejo asistido robóticamente de un instrumento médico, en particular un instrumento de cirugía laparoscópica (18); el manipulador de robot (14) comprende una base (24); un brazo del manipulador (26) con una parte esencialmente vertical (27) soportada por la base y con una parte esencialmente horizontal (29) soportada por la parte vertical (27); una muñeca manipulador (28) soportada por el brazo del manipulador (26); y una unidad efectora (30) soportada por la muñeca manipulador y configurada para sostener un instrumento médico; el brazo del manipulador (26) tiene una configuración cinemática PRP cilíndrica para posicionar la muñeca del manipulador; más particularmente, la configuración cinemática PRP tiene la siguiente secuencia de articulaciones: una primera articulación prismática (P) (J1) para variar la altura de la parte vertical (27), proporcionando un grado de libertad traslacional a lo largo de un eje esencialmente vertical, una segunda articulación de revolución (R) (J2) para variar el ángulo rotacional entre la parte vertical (27) y la parte horizontal (29), proporcionando un grado de libertad rotacional alrededor del eje esencialmente vertical, y una tercera articulación prismática (P) (J3) para variar la distancia de la parte horizontal, proporcionando un grado de libertad traslacional a lo largo de un eje esencialmente horizontal.

Description

SISTEMA ROBOTICO MEDICO CON BRAZO DEL MANIPULADOR DEL TIPO DE COORDENADAS CILINDRICAS CAMPO DE LA INVENCION La invención reclamada se relaciona con el campo del equipo médico y más particularmente con un sistema robótico médico para realizar procedimientos médicos, en particular, procedimientos quirúrgicos tales como procedimientos mínimamente invasivos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Es bien conocido que, en oposición a la laparotomía, los procedimientos médicos mínimamente invasivos tienen el beneficio de reducir la cantidad de tejido extraño que se daña durante los procedimientos de diagnóstico o quirúrgicos. Esto resulta en un tiempo de recuperación más corto del paciente, menos incomodidad y efectos laterales dañinos, y costos más bajos de la estancia en el hospital. En la actualidad, en la cirugía general, las especialidades de urología, ginecología y cardiología, existe un incremento en la cantidad de operaciones quirúrgicas llevadas a cabo mediante técnicas mínimamente invasivas, tales como técnicas laparoscópicas.

Las técnicas mínimamente invasivas en general, y la laparoscopia en particular, sin embargo, tienen requisitos más rigurosos para el cirujano que lleva a cabo la operación. El cirujano opera en una postura incómoda y que cansa, con un campo de visión limitado, libertad de movimiento reducida, y percepción táctil deficiente. A estos problemas se le agrega el hecho de que los cirujanos con frecuencia tienen que llevar a cabo varias intervenciones consecutivas por días, cada intervención dura, por ejemplo, de 30 minutos a vahas horas. A pesar de estas dificultades, la tendencia hacía los procedimientos mínimamente invasivos probablemente se va a incrementar abruptamente en los años siguientes, debido a la población que envejece y a la presión de los costos en el campo médico. En la laparoscopia, el cirujano requiere obviamente ser tan preciso en sus movimientos como en la laparotomía. La manipulación de instrumentos de cuerpo largo con destreza del movimiento reducida a cuatro grados de libertad alrededor de un fulcro en la abertura de acceso del instrumento, es decir, en la incisión en el cuerpo del paciente, no alivia esta tarea. Surgen complicaciones inter alia por el hecho de que la postura requerida es bastante tediosa y reduce la percepción ya limitada de las fuerzas de interacción entre el instrumento y los tejidos. Por ejemplo, cuando el cirujano se para al lado del paciente, debe elevar y mantener estirado uno de sus brazos para sostener el instrumento insertado en el lado opuesto del paciente. Como resultado, las capacidades motoras del cirujano decaen normalmente después de 20-30 minutos, de manera que entre otros, ocurren temblores, pérdida de exactitud y pérdida de sensibilidad táctil con los riesgos resultantes para el paciente. Por lo tanto, están surgiendo nuevas tecnologías tales como laparoscopia asistida robóticamente, con el propósito de mejorar la eficiencia, calidad y seguridad de las intervenciones. En vista de lo anterior, la laparoscopia asistida robóticamente ha conocido un desarrollo significativo desde el inicio de la década de los años noventa. Dos sistemas de cirugía robótica comercialmente disponibles representativos, son el sistema de cirugía conocido por la marca comercial "DA VINCI" desarrollado por Intuitive Surgical Inc., Sunnyvale, California, y el sistema de cirugía conocido por la marca comercial "ZEUS", desarrollado originalmente por Computer Motion Inc., Goleta, California. El sistema de cirugía conocido por el nombre "DA VINCI" se describe entre otros por Molí et al., en la US 6,659,939; US 6,837,883 y otros documentos de patente del mismo cesionario. El sistema de cirugía conocido por el nombre "ZEUS", se describe entre otros por Wang et al., en la US 6,102,850; US 5,855,583; US 5,762,458; US 5,515,478 y otros documentos de patente asignados a Computer Motion Inc., Goleta, California. Estos sistemas robóticos teleoperados permiten controlar las intervenciones quirúrgicas ya sea directamente desde la sala de operación o desde un sitio remoto, utilizando retroalimentación visual en una consola. En cualquier caso, la postura tediosa del cirujano se elimina. Aparte de los altos costos de compra y mantenimiento de de estos sistemas robóticos, su difusión y aceptación en la comunidad médica está limitada entre otras cosas, debido a la falta de versatilidad. Ambos sistemas se diseñaron de manera específica para cirugía cardiológica, en donde la anatomía topologica es constante, el espacio de trabajo es pequeño y por lo tanto se requiere un movimiento exacto del instrumento y destreza en un espacio limitado únicamente. En consecuencia, el diseño mecánico de estos sistemas no es fácilmente adecuado para utilizarse en otros tipos de cirugía (incluyendo cirugía ginecológica, urológica y general), en donde el espacio de trabajo de operación es más grande que en cardiología, la topología anatómica es variable (incluso algunas veces impredecible), y las propiedades mecánicas de los tejidos y órganos son diversas. Sin importar estos dos sistemas específicos, el diseño mecánico de los manipuladores en los sistemas de cirugía robótica actualmente deja un espacio significativo para mejora en varios aspectos, entre los cuales la versatilidad del sistema es uno de muchos.

OBJETO DE LA INVENCION En consecuencia, un objeto de la invención reclamado en la presente es proporcionar un sistema robótico médico para realizar procedimientos médicos, que comprende un manipulador de robot que tiene una configuración cinemática mejorada.

DESCRIPCION GENERAL DE LA INVENCION Con el fin de lograr este objeto, se propone un sistema robótico médico para realizar procedimientos médicos, en particular, procedimientos laparoscópicos, que comprende un manipulador de robot para el manejo asistido robóticamente de un instrumento médico, en particular, un instrumento quirúrgico laparoscópico, como se describe aquí posteriormente. De acuerdo con un aspecto de la invención, el manipulador de robot comprende una base; un brazo del manipulador que tiene una parte esencialmente vertical soportada por la base y una parte esencialmente horizontal soportada por la parte vertical; una muñeca del manipulador soportada por el brazo del manipulador; y una unidad efectora soportada por la muñeca del manipulador y configurada para mantener un instrumento médico. De acuerdo con otro aspecto de la invención, el brazo del manipulador tiene una configuración cinemática PRP cilindrica para posicionar la muñeca del manipulador. Más particularmente, la configuración cinemática PRP propuesta incluye en secuencia las siguientes tres articulaciones: una primera articulación prismática (P) para variar la altura de la parte vertical proporcionando un grado de libertad traslacional a lo largo de un eje esencialmente vertical, una segunda articulación de revolución (R) para variar el ángulo rotacional entre la parte vertical y la parte horizontal, proporcionando un grado de libertad rotacional alrededor de un eje esencialmente vertical, y una tercera articulación prismática (P) para variar el alcance la parte horizontal proporcionando un grado de libertar traslacional a lo largo de un eje esencialmente horizontal. Entre otras ventajas descritas aquí a continuación, esta configuración cinemática del brazo del manipulador permite: reducir el espacio requerido encima del paciente por un solo brazo del manipulador, que permite entre otras cosas, el uso de un número incrementado de brazos del manipulador separados en una intervención dada; colocar la base del manipulador a una cierta distancia del paciente, de manera que el poner el manipulador de robot en una posición despejada en caso de una emergencia, simplemente requiere girar la parte horizontal del brazo hacia una posición no obstructiva; facilitar el acceso del personal al paciente y también a la región del instrumento quirúrgico, por ejemplo, para intercambiar instrumentos; facilitar la evasión de la colisión interbrazos; el uso de un mínimo de articulaciones en el brazo del manipulador mismo, es decir, únicamente 3 articulaciones para proporcionar 3 DOF para colocar la muñeca, por lo que cualesquier articulaciones redundantes, en particular las articulaciones pasivas se eliminan. Se entenderá que diferentes arreglos del eje de una configuración PRP son posibles. El arreglo del eje indicado anteriormente se considera que es la configuración cinemática más adecuada para la aplicación descrita actualmente. Se entenderá además que entre otras cosas en términos de cinemática, los requisitos del accionador y el control del robot, una configuración del robot PRP cilindrica, es fundamentalmente de, por ejemplo, una configuración PRR como se describe, por ejemplo, en la US 5,351 ,676 o una configuración RPP como se describe en la US 6,120,433. La persona con experiencia apreciará además que la configuración cinemática propuesta en la presente desafía la creencia establecida de que SCARA, es decir, un cierto tipo de configuración PRR, se considera más apropiada para las aplicaciones laparoscópicas. Esta creencia establecida durante mucho tiempo, se confirma en la literatura de patentes y científica, por ejemplo, en el documento "A Robotic Case Study: Optimal Design For Laparoscopic Positioning Stands"; A. Faraz y Sh. Payandeh; Actas de la Conferencia Internacional de Robótica y Automatización IEEE de 1997; Abril de 1997; (véase el párrafo 2.2 en particular). Además, esta configuración cinemática propuesta contribuye a una versatilidad incrementada del sistema. En otras palabras, este diseño del manipulador de robot vuelve al sistema adecuado para una variedad de aplicaciones, especialmente para cirugía mínimamente invasiva, pero también para intervenciones ortopédicas o de biopsia, para terapia percutánea, para recolección de piel, para diagnósticos con ultrasonido, etc. Como se apreciará, el sistema robótico descrito rompe con el paradigma de acuerdo con el cual las configuraciones cinemáticas SCARA representan la elección más adecuada en el caso específico de un sistema quirúrgico robótico. Un ejemplo representativo de un sistema robótico médico que utiliza manipuladores con la configuración SCARA, es el sistema mencionado anteriormente conocido por la marca comercial "ZEUS", descrito, por ejemplo, en la US 6,102,850; US 5,855,583; US 5,762,458 y la US 5,515,478. Con respecto a la versatilidad del sistema robótico médico, los sistemas robóticos médicos existentes se diseñan generalmente para un tipo específico de intervención. Los sistemas "DA VINCI" y "ZEUS", por ejemplo, se diseñaron específicamente para cirugía cardiológica. Por lo tanto, como se mencionó anteriormente, estos sistemas están diseñados para instrumentos articulados especiales. Además, debido al espacio de trabajo limitado en intervenciones cardiológicas, el movimiento del instrumento normalmente es disminuido desde las órdenes del cirujano en una interconexión háptica en estos sistemas. En general, en la cirugía laparoscópica (incluyendo cirugía ginecológica, urológica y general), el espacio de trabajo de operación es mayor que en cardiología, la topología anatómica es variable (incluso algunas veces impredecible), y las propiedades mecánicas de los tejidos y órganos son diversas. Un espacio de trabajo más grande implica una envoltura del movimiento del instrumento más grande y la necesidad de una escala de movimiento 1 :1 . Como resultado, en la laparoscopia general, se necesita una dinámica de movimiento incrementada con el fin de seguir de manera exacta el movimiento de la mano del cirujano. De ensayos experimentales, se ha encontrado que la mano del cirujano produce altas velocidades en un espacio de trabajo pequeño, y por lo tanto una aceleración muy alta. La velocidad puede alcanzar hasta 100°/s a lo largo de los ejes de paso y oblicuidad, y 200 mm/segundo en la dirección de penetración. A la escala de movimiento 1 :1 y en las condiciones mencionadas, los sistemas anteriores muestran vibraciones, oscilaciones y pérdida de exactitud. El manipulador de robot, descrito con más detalle aquí a continuación, se diseña para reducir tales problemas y por lo tanto, para ser adecuados para una variedad de intervenciones de cirugía laparoscópica general. Además, muchos sistemas existentes tienen, además de un manipulador para el endoscopio, sólo dos manipuladores para los instrumentos quirúrgicos per se. Esto resulta en un tiempo de intervención incrementado debido a los procedimientos de intercambio de instrumentos frecuentes y complejos. En una intervención típica, el cirujano utiliza de cinco a siete diferentes tipos de instrumentos, y con frecuencia necesita intercambiarlos varias decenas de veces. Usualmente, el intercambio del instrumento toma de 5 a 10 segundos, dependiendo de la habilidad del asistente del cirujano, y estas operaciones de intercambio contribuyen sustancialmente al tiempo total de la intervención (por aproximadamente 10-20%). Muchos sistemas robóticos existentes no son fácilmente adecuados para intervenciones típicas que requieren tres o cuatro aberturas de acceso del instrumento. Otros sistemas están restringidos a intervenciones de diagnóstico que son normalmente de corto tiempo (aproximadamente 20 minutos), y con frecuencia no justifican el costo de un sistema robótico.

Idealmente, un sistema de cirugía robótica debe ser modular y tener la capacidad de manejar hasta cuatro aberturas de acceso del instrumento y una abertura de acceso del endoscopio. Una restricción significativa relacionada con el diseño de los manipuladores adecuados, es que algunos puertos de acceso pueden estar distantes unos cuantos centímetros únicamente, y los instrumentos respectivos pueden necesitar colocarse casi paralelos o uno sobre el otro. Además, es deseable que los manipuladores no limiten de manera excesiva la vista del cirujano en el cuerpo del paciente y las aberturas de acceso. El sistema robótico médico, especialmente en virtud de la configuración cinemática del brazo del manipulador, pero también debido a las varias otras características descritas aquí posteriormente y consideradas inventivas per se, entre otras cosas, tratan los problemas anteriores y facilita el uso simultáneo de una pluralidad de manipuladores de robot. Otra limitación relevante de los sistemas existentes se relaciona con la falta de medios confiables y seguros para evitar la colisión entre diferentes manipuladores, entre los manipuladores y el personal en la sala de operación, y entre los instrumentos y el endoscopio. Cualquier colisión potencial representa, sin embargo, un severo riesgo para la salud de los pacientes y posiblemente para el personal de operación y por lo tanto, el evitar de manera eficiente las colisiones en los sistemas de cirugía robótica es de gran importancia. Este problema obviamente se vuelve aún más crítico con un número que se incrementa de manipuladores de robot utilizados durante una intervención dada. En virtud de la configuración cinemática PRP, por una parte, los riesgos de colisiones potenciales se reducen debido a la obstrucción reducida por el brazo del manipulador mismo y, por otra parte, los métodos para la detección y evasión de la colisión se simplifican. Se apreciará que los sistemas proporcionan la maniobrabilidad requerida con un número mínimo de articulaciones, es decir, con 6 DOF con sólo 6 articulaciones. No se proporcionan articulaciones redundantes adicionales. En particular, los instrumentos especiales con extremos distales del instrumento articulados no se requieren. Además, todas las articulaciones son accionadas, es decir, no hay articulaciones pasivas o libres de rotación presentes en el manipulador de robot, por lo que el control robótico se mejora de manera significativa. La eliminación de las articulaciones pasivas redundantes, que se utilizan comúnmente en los sistemas conocidos para evitar la tensión del trocar, se alcanza entre otras cosas, proporcionando el montaje del sensor en la interconexión entre la sexta articulación y el accionador del instrumento laparoscópico. Este arreglo del montaje del sensor permite la medición de la fuerza y la restricción de la constricción no sólo a nivel de la punta del instrumento, sino también al nivel del trocar. Otra particularidad se va a observar, por el hecho de que las articulaciones de la muñeca y la unidad efectora son todas giratorias, es decir, no se proporcionan articulaciones prismáticas en estas partes. En una modalidad ventajosa, que entre otras cosas incrementa la rigidez del manipulador, la primera articulación (P) tiene una guía lineal vertical y un primer accionador lineal, de manera preferida, un eje del tornillo esférico lineal, para accionar la primera articulación (P). De manera similar, la tercera articulación (P) de manera ventajosa tiene una guía lineal horizontal y un segundo accionador lineal, de manera preferida, un eje del tornillo esférico lineal para accionar la tercera articulación (P). Además, tanto la primera como la tercera articulaciones de manera preferida tienen un freno y un sensor de la posición absoluta asociados respectivamente a las mismas. Con el fin de proteger los componentes de la parte vertical y con el fin de reducir al mínimo las dimensiones de la porción más importante de la parte vertical por encima del paciente, se prefiere que la parte horizontal comprenda una cubierta alargada que encierre la guía lineal horizontal y el segundo accionador lineal, la parte horizontal comprende una palanca que se telescopiza con respecto a la cubierta en un lado, y soporta la muñeca en el otro lado. De manera ventajosa, la segunda articulación (R) tiene un engrane, de manera preferida un engrane de accionamiento armónico, un motor, de manera preferida, un servomotor sin escobillas, acoplado a la etapa de entrada del engrane, y un sensor de la posición absoluta acoplado a la etapa de salida del engrane. Se logra por lo tanto, una construcción compacta, que permite además la detección de una falla del mecanismo de accionamiento en la segunda articulación (R). En una modalidad preferida adicional, la muñeca del manipulador comprende una cuarta articulación de revolución (R) y una quinta articulación de revolución (R) para orientar la unidad efectora. En consecuencia, el brazo del manipulador y la muñeca del manipulador proporcionan juntos exactamente cinco grados de libertad controlables. Con el fin de asegurar una cierta distancia desde el paciente que facilite el acceso para el personal, por ejemplo, en el caso de una emergencia, la parte horizontal del brazo de manera preferida tiene una desviación mínima de la conexión de 800 mm, es decir, una cierta distancia mínima entre los ejes de rotación de la segunda y la cuarta articulaciones (R). Puede notarse que el espacio ocupado por la base debe tomarse en cuenta cuando se calcula la desviación requerida para el paso no impedido del personal. De manera preferida, los ejes de rotación de la cuarta articulación (R) y la segunda articulación (R) son paralelos. Se prefiere además que el eje de rotación de la cuarta articulación (R) sea coplanar con el plano formado con el eje de eje de rotación de la segunda articulación (R) y por el eje de traslación de la tercera articulación (P). Más particularmente, en una configuración preferida, la cuarta articulación (R), proporciona un grado de libertad rotacional a lo largo de un eje esencialmente vertical para ajustar el ángulo de oblicuidad de la unidad efectora, y en donde la quinta articulación (R) proporciona un grado de libertad rotacional a lo largo de un eje esencialmente horizontal para ajustar el ángulo de paso de la unidad efectora. Por supuesto, el ángulo de oblicuidad depende también de la configuración real de la segunda articulación (R). Lo último por lo tanto, se toma en cuenta para ajustar el ángulo de oblicuidad por medio de la cuarta articulación (R). En combinación con la configuración cinemática del brazo del manipulador, esta configuración evita las singularidades del manipulador, como se volverá más evidente en la presente a continuación. La cinemática inversa simplificada y la maniobrabilidad mejoradas se logran en una modalidad preferida, en donde la muñeca comprende una placa de soporte conectada a la parte horizontal del brazo, y un miembro de soporte con forma sustancialmente de L, la cuarta articulación (R) articula una primera porción horizontal del miembro de soporte a la placa de soporte, y la quinta articulación (R) articula una segunda porción vertical del miembro de soporte a un medio de conexión para la unidad efectora, la muñeca está configurada de manera que los ejes de rotación de la cuarta articulación (R) y la quinta articulación (R) tengan un punto de intersección. Para la manipulación asistida robóticamente de instrumentos laparoscópicos, la unidad efectora comprende de manera preferida un accionador del instrumento laparoscopico que tiene medios para montar un instrumento quirúrgico al manipulador y un mecanismo de accionamiento lineal para accionar un instrumento quirúrgico montado. En la última configuración para los instrumentos laparoscópicos, se prefiere que la unidad efectora comprenda un armazón de soporte principal para conectar la unidad efectora a la muñeca y una sexta articulación de revolución (R) que articula el accionador del instrumento laparoscopico al armazón de soporte principal, la sexta articulación (R) proporciona un grado de libertad rotacional a lo largo de un eje que coincide con el eje longitudinal de un instrumento quirúrgico montado al accionador del instrumento laparoscopico, para ajustar el ángulo de balance del instrumento quirúrgico montado. En la última modalidad, se prefiere que los ejes de rotación de la sexta articulación (R) y la quinta articulación (R) sean perpendiculares. Sin embargo, también es concebible, por ejemplo, en aplicaciones del sistema robótico diferentes a la cirugía mínimamente invasiva, que estos ejes puedan ser oblicuos, por ejemplo, para evitar las singularidades debido a la posible alineación de la sexta y la cuarta articulaciones (R). De manera preferida, la muñeca del manipulador está configurada de manera que los ejes de rotación de la sexta articulación (R) y la cuarta articulación (R), estén desviados por una distancia que corresponde a aproximadamente el diámetro del accionador del instrumento laparoscópico en su sección transversal más grande. Esta modalidad permite que dos manipuladores de robot operen a incisiones localizadas estrechamente con un riesgo de colisión reducido. Con el fin de permitir la retroalimentación de la fuerza en una interconexión háptica de un cirujano, la unidad efectora de manera ventajosa comprende un montaje del sensor que comprende un sensor de fuerza/torque de 6 grados de libertad (DOF) y un acelerómetro de 6 DOF, el montaje conecta el accionador del instrumento laparoscópico con la sexta articulación (R). Este montaje del sensor permite medir la aceleración lineal y angular y la inclinación del accionador del instrumento laparoscópico y cualesquíer fuerzas o torques ejercidos por un instrumento montado en el cuerpo del paciente. El acelerómetro lineal y angular se utiliza para compensar la influencia gravitacional y de aceleración en el sensor de la fuerza-torque. Muchos sistemas robóticos médicos existentes carecen de la retroalimentación de la fuerza y por lo tanto excluyen al cirujano de la percepción de las fuerzas ejercidas en los tejidos del paciente. Por lo tanto, el cirujano puede solamente basarse en la retroalimentación visual de sus movimientos, para limitar la interacción del instrumento con los tejidos. De hecho, la retroalimentación de la fuerza contribuye de manera significativa a la seguridad en el uso de los robots para laparoscopia quirúrgica. Además, la detección táctil es relevante para palpar órganos, para sostener órganos viscosos con un instrumento que no está en el campo de visión del endoscopio, para aplicar una tensión adecuada a las suturas y evitar la ruptura del alambre, para detectar las fuerzas excesivas aplicadas a los órganos y en consecuencia detener o limitar el movimiento, para limitar las fuerzas aplicadas a la incisión del trocar, etc. En "Development of actuated and sensor integrated fórceps for minimally invasive robotic surgery" por B. Kübler, U. Seibold y G. Hirzinger - Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft fur Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC), Octubre 8-9, del 2004, Munich, Alemania; se presentó un sensor de la fuerza/torque de 6 DOF miniaturizado instalado en la punta del instrumento. Este concepto tiene varias desventajas, entre las cuales los gastos incrementados del instrumento, la falta de robustez con respecto a la esterilización, y problemas de protección EMI cuando se utilizan con instrumentos accionados eléctricamente.

Con respecto a la construcción del accionador, la cuarta articulación (R), la quinta articulación (R) y/o la sexta articulación (R) de manera ventajosa tienen un motor, de manera preferida, un servomotor sin escobillas, un engrane que tiene una etapa de entrada acoplada al eje del motor, una transmisión de banda acoplada a la etapa de salida del engrane para transmitir el movimiento a la articulación asociada, y un sensor de la posición absoluta acoplado a la transmisión de banda. Este diseño permite la detección de las fallas de la articulación al final de la cadena de transmisión. Para detectar la intrusión del personal en el espacio de trabajo del manipulador, la base de cada manipulador de robot de manera preferida comprende un explorador láser de distancia.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Los aspectos anteriores así como otros aspectos inventivos y objetos de la presente descripción, serán más evidentes a partir de la siguiente descripción de una modalidad no limitante con referencia a los dibujos anexos, en donde: La Figura 1 : es una vista en perspectiva de un sistema robótico médico para una laparoscopia quirúrgica genérica en una sala de operaciones con tres manipuladores de robot colocados alrededor de la mesa de operaciones en la cual yace un paciente; La Figura 2: es una vista en perspectiva de un sistema robótico médico para una laparoscopia quirúrgica genérica con cinco manipuladores de robot; La Figura 3: es una vista en perspectiva de un manipulador de robot del sistema robótico médico de la Figura 1 y la Figura 2, que muestran los sistemas de coordenadas principales; La Figura 4: es una vista en perspectiva del manipulador de robot de la Figura 3 parcialmente desmontado en sus partes principales; La Figura 5 es un diagrama esquemático de la configuración cinemática del manipulador de robot de la Figura 3, incluyendo las articulaciones J1 a J6; La Figura 6 es una vista superior de un sistema de cirugía robótica con cinco manipuladores de robot, ilustrando las cajas de detección de la colisión 2D que rodean los componentes del manipulador; La Figura 7: es una vista en perspectiva de la base del manipulador de robot de la Figura 3; La Figura 8 es una vista superior de un sistema robótico médico que muestra una detección basada en láser 2D para detectar la proximidad de un asistente del cirujano con respecto a un manipulador de robot; La Figura 9: es una vista en perspectiva de los componentes internos de las articulaciones J1 , J2 y J3 del manipulador de robot de la Figura 3; La Figura 10: es una vista en perspectiva de los componentes internos de la articulación J2 del manipulador de robot de la Figura 3; La Figura 1 1 : es una primera vista en perspectiva de los componentes internos de la muñeca del manipulador, incluyendo las articulaciones J4 y J5; La Figura 12: es una segunda vista en perspectiva de los componentes internos de la muñeca del manipulador, incluyendo las articulaciones J4 y J5; La Figura 13: es una tercera vista en perspectiva de los componentes internos de la muñeca del manipulador, incluyendo las articulaciones J4 y J5; La Figura 14: es una vista en perspectiva que muestra una unidad efectora del manipulador de robot de la Figura 3 y un instrumento adaptado para conectarse a la unidad efectora; La Figura 15: es una vista en perspectiva de los componentes internos principales de la unidad efectora de la Figura 14; La Figura 16: es una vista en perspectiva de un marco de referencia del fulcro; La Figura 17: es una vista en perspectiva de un adaptador del vástago del instrumento (ISA) y un vástago del instrumento correspondiente; La Figura 18: es una vista en perspectiva amplificada de un accionador del instrumento laparoscopico (LIA) como se muestra en la Figura 14; La Figura 19: es una vista en perspectiva de un montaje de accionamiento en el LIA de la Figura 18; La Figura 20: es una vista en perspectiva de la parte inferior que muestra los componentes internos adicional del LIA mostrado en la Figura 18; La Figura 21 : es una vista en perspectiva de la parte superior que muestra los componentes internos adicionales del LIA mostrado en la Figura 18; La Figura 22: es una vista en perspectiva que muestra un mecanismo de accionamiento utilizado en el LIA mostrado en la Figura 18; La Figura 23: es una vista en perspectiva de un manipulador de robot de acuerdo con la Figura 3, que tiene una muñeca del manipulador modificada; La Figura 24: es una vista en perspectiva de un sistema robótico médico para una laparoscopia quirúrgica genérica con cuatro manipuladores de robot, de acuerdo con la Figura 23 y un manipulador de robot de acuerdo con la Figura 3; La Figura 25: es una vista en perspectiva de una modalidad alterna de un accionador del instrumento laparoscópico (LIA) para utilizarse en la unidad efectora mostrada en la Figura 14; La Figura 26: es una vista en perspectiva del LIA de la Figura 24, con una modalidad alterna de un adaptador del vástago del instrumento (ISA) conectado al LIA; La Figura 27: es una vista en perspectiva de un montaje de accionamiento alterno utilizado en el LIA de la Figura 24; La Figura 28: es otra vista en perspectiva del ISA mostrado en la Figura 26; La Figura 29: es una vista en perspectiva parcialmente en despiece del ISA mostrado en la Figura 26 y la Figura 28; La Figura 30: es otra vista en perspectiva parcialmente en despiece del ISA mostrado en la Figura 26 y la Figura 28 con diferentes instrumentos conectados al adaptador. En estos dibujos, se utilizan números de referencia idénticos para identificar partes idénticas a través de los mismos.

DESCRIPCION DETALLADA CON RESPECTO A LAS FIGURAS La Figura 1 muestra un sistema robótico médico para la laparoscopia quirúrgica genérica, identificado generalmente por el número de referencia 10. Un paciente P cubierto por una sábana estéril yace en una mesa de operaciones 12 alrededor de la cual se coloca una pluralidad de manipuladores de robot 14. En el ejemplo de la Figura 1 , el sistema robótico médico 10 se ajusta para una intervención en el área pélvica. Un cirujano S opera en una consola maestra quirúrgica 15 y un cirujano asistente A se para cerca de la mesa de operaciones 12 y cerca de una charola 16 con un conjunto de instrumentos laparoscópicos adaptados 18. Los manipuladores de robot 14 se diseñan para colocar y orientar una unidad efecto ra que soporta y posiblemente acciona varias clases de instrumentos laparoscópicos 18. Durante la operación, los manipuladores de robot 14 son teleoperados por uno o más cirujanos S vía una o más consolas maestra quirúrgicas 1 5 que están conectadas a una unidad de control (no mostrada). Como se apreciará, el sistema robótico médico 10 es modular y configurable de acuerdo con el tipo de intervención quirúrgica, generalmente con hasta 5 manipuladores y normalmente una configuración mínima de 2 manipuladores. Una configuración de un sistema robótico médico 10' con 5 manipuladores 14 se muestra, por ejemplo, en la Figura 2. El sistema 10 mostrado en la Figura 1 , está equipado con exploradores de alcance láser 22 localizados en la base de cada manipulador de robot 14. Los exploradores de distancia láser 22 se utilizan para la seguridad del personal asistente quirúrgico en la sala de operaciones. La Figura 3 es una vista tridimensional de un manipulador de robot 14 que forma una unidad mecánica del sistema de cirugía robótica 10. El manipulador de robot 14 se monta en una base 24, que se une al piso de la sala de operaciones y se mueve cuando no está unido. Tres sistemas de coordenadas también se muestran en la Figura 3, es decir, el sistema de coordenadas de la Base, el Reborde de la Herramienta (TF) y la Punta del Instrumento Laparoscópico (LIT). Como se observa en la Figura 3, el manipulador de robot 14 comprende un brazo del manipulador 26 y una muñeca del manipulador 28.

En la Figura 4, se muestran las partes principales del manipulador de robot 14. El brazo 26 tiene una parte esencialmente vertical 27 y una parte esencialmente horizontal 29. El primer extremo del brazo 26 en la parte vertical 27 se va a unir a la base 24, mientras que la muñeca 28 se va a unir al segundo extremo del brazo 26, es decir, la extremidad de la parte horizontal 29. Una unidad efectora 30 para los instrumentos laparoscópicos adaptados 18, se va a conectar a un reborde de la herramienta 32 de la muñeca 28. Como se indica por las flechas en la Figura 3, el brazo 26 tiene tres grados de libertad (DOF) y la muñeca 28 tiene dos DOF. En consecuencia, el manipulador de robot 14 es básicamente un manipulador de robot de 5 DOF. Un DOF auxiliar para girar el instrumento laparoscópico 18 montado en la unidad efectora 30 alrededor de su eje longitudinal, se proporciona por la unidad efectora 30. El arreglo del DOF del manipulador de robot 14 y la unidad efectora 30, se volverá más evidente a partir de la siguiente descripción de la Figura 5. Como se observa mejor en el modelo geométrico de la Figura 5, el brazo 26 está articulado a la base 24 por medio de una primera articulación J1 que es una articulación deslizante prismática (P) (o articulación de traslación rectilínea). La primera articulación J1 está conectada a la base 24 por medio de una conexión de la base LO, y proporciona un DOF traslacional a lo largo de un eje esencialmente vertical. La primera articulación J1 por lo tanto, permite el posicionamiento vertical de la primera conexión esencialmente vertical L1 y los componentes posteriores unidos a la última con respecto a la base 24 y a la conexión LO. En otras palabras, la articulación J1 define la altura de la parte vertical 27. Una segunda articulación J2, que tiene una articulación de revolución (R), conecta la primera conexión L1 a una segunda conexión esencialmente horizontal L2 del brazo 26. El eje de rotación de la articulación de revolución J2 es esencialmente vertical. La articulación J2 permite ajustar el ángulo relativo entre la conexión L2 y su posición angular inicial en un plano horizontal. Una tercera articulación deslizante prismática (P) J3 conecta la conexión L2 a una tercera conexión esencialmente horizontal L3. La articulación (P) J3 proporciona un grado de libertad traslacional a lo largo de un eje esencialmente horizontal y permite ajustar la distancia o extensión del brazo 26, más precisamente en la parte horizontal 29, mediante el desplazamiento horizontal de la conexión L3 con respecto a la conexión L2. Las conexiones L2 y L3 junto con la articulación (P) J3, forman un pescante o brazo extensible esencialmente horizontal del manipulador de robot 14. Con dos articulaciones (P) y una articulación (R) colocadas como se observa en la Figura 5, el brazo 26 tiene un DOF rotacional alrededor de un eje esencialmente vertical, y asociado al mismo, dos DOF traslacionales a lo largo de dos ejes perpendiculares. En consecuencia, el brazo 26 del manipulador de robot 14 tiene una configuración cilindrica, es decir, la configuración cinemática del manipulador 14 pertenece a la clase de robots cilindricos del tipo PRP (Prismática-Revolución-Prismática). De manera más precisa, cada articulación entre las primeras tres J1 , J2, J3, corresponden respectivamente a una coordenada cilindrica (z, , r): z es la coordenada de elevación (o altura), es la coordenada rotacional (o azimut) y r es la coordenada del alargamiento radial (o radio). Como se observa además en la Figura 5, la muñeca 28 comprende dos articulaciones de revolución J4, J5 y la unidad efectora 30 incluye una articulación de revolución J6. Las articulaciones de revolución J2, J4, J5, J6 definen respectivamente la orientación de un instrumento laparoscópico adaptado 18 unido a la unidad efectora 30. La articulación de revolución J4 conecta la conexión L3 a una conexión L4 y permite girar la conexión L4 con las partes posteriores, alrededor de un eje esencialmente vertical que es paralelo al eje de rotación de la articulación J2. Por lo tanto, la articulación de revolución J4 permite ajustar el ángulo de oblicuidad de la unidad efectora 30, en combinación con el ajuste real de la articulación J2. Deberá notarse que el eje de rotación de la articulación de revolución J4 es coplanar con el plano formado con el eje de rotación de la articulación de revolución J2 y por el eje de traslación de la articulación prismática J3. La articulación de revolución J5 conecta la conexión L4 al reborde de la herramienta 32, y permite girar el reborde de la herramienta 32 con las partes posteriores, a lo largo de un eje esencialmente horizontal perpendicular al eje de rotación de la articulación J4. Por lo tanto, la articulación de revolución J5 permite ajustar el ángulo de paso de la unidad efectora 30. La unidad efectora 30 está conectada al reborde de la herramienta 32 a través de una conexión L5. El eje de rotación de la articulación de revolución J6 es sustancialmente perpendicular al eje de rotación de la articulación J5 y conecta la conexión L5 a la conexión L6. El eje de rotación de la articulación de revolución J6 está alineado con la conexión L6 y define el ángulo relativo de la conexión L6 con respecto a su posición angular inicial. Un instrumento laparoscópico adaptado 18 se conecta a la conexión L6. El instrumento 18, representado por la conexión L7, se alinea con la conexión L6. El punto final de la conexión L7 representa la punta del instrumento 17. La configuración cinemática PRP cilindrica del manipulador 26 tiene varias ventajas, entre las cuales: " un espacio contenido relativamente pequeño ocupado por la estructura del manipulador por encima de la mesa de operaciones; ' el hecho de que la base del manipulador está a una distancia suficiente (debido a una desviación mínima de la conexión de la parte horizontal 29 de 800 mm) de la mesa de operaciones para facilitar el acceso del cirujano a la mesa de operaciones y transferir el paciente de/a la mesa de operaciones; ¦ cálculo de la detección de la colisión intermanipuladores fácil y rápida. Estos y otros aspectos se volverán más evidentes a partir de los siguientes párrafos. Una ventaja que resulta de la configuración cinemática PRP elegida del brazo del manipulador de robot 26 es la simplificación del cálculo de la detección de la colisión entre una pluralidad de manipuladores 14 colocados con espacios de trabajo que se intersecan alrededor de la mesa de operaciones 12 (Figuras 1 y 2). Debido a la configuración cilindrica, el manipulador de robot 14 puede aproximarse con características geométricas planas simples en un plano horizontal de dos dimensiones (2-D). Como se observa mejor en la Figura 6, las conexiones mecánicas del brazo 26 pueden cubrirse por un rectángulo de longitud variable y una orientación que corresponde respectivamente a (J3 + L2 + L3) y a J2; el ancho de la envoltura rectangular se proporciona por la geometría de la conexión mecánica más un margen que depende, por ejemplo, de espacio requerido para frenar el robot de una velocidad máxima hasta un paro más un umbral de seguridad. El margen de cada lado de la envoltura rectangular puede dimensíonarse de manera dinámica de acuerdo con la dirección y la velocidad del movimiento, por ejemplo, entre más alta es la velocidad en la dirección de un lado de la cubierta, más alto es el margen para este lado de la envoltura. La muñeca 28 se aproxima por un rectángulo que cubre el cuerpo de la conexión L4 y parte de la conexión L5 y con una orientación plana variable proporcionada por la posición angular actual de la articulación J4. De manera similar, la unidad efectora 30 puede aproximarse por un rectángulo que cubre su proyección en el plano horizontal 2-D, en donde el ángulo de proyección corresponde a la posición angular actual de la articulación J5. El mismo principio de aplica al vástago del instrumento 18 conectado a la unidad efectora 30. Tales características bidimensionales geométricas simples, permiten establecer algoritmos simples y eficientes para la detección de la colisión, basándose en al intersección de sus líneas. En una primera etapa, el método de detección de la colisión consiste de verificar una colisión en la proyección horizontal 2-D. Unicamente si cualquiera de estas figuras 2-D colisionan con una figura de un manipulador de robot 14 diferente, un riesgo efectivo de una colisión real se verifica posteriormente incluyendo la tercera dimensión. Como se apreciará, los cálculos 3-D por lo tanto necesitan llevarse a cabo sólo para los lados que se intersecan de las partes involucradas de los manipuladores de robot 14. En este cálculo 3-D simplificado, las partes involucradas están cubiertas, por ejemplo, con un modelo basado en un triángulo. Como resultado, los algoritmos rápidos de detección de la intersección pueden implementarse fácilmente, por ejemplo, aquéllos propuestos en "A Fast Triangle-Triangle Intersection Test", de Moller, Journal of Graphics Tools, 2(2), 1997. En la práctica, la detección de la colisión entre los vástagos de los instrumentos 18 es especialmente relevante para proteger el endoscopio de los instrumentos energizados. Para un resultado exacto de la detección de la colisión entre los manipuladores de robot 14, la posición y orientación de todos los manipuladores de robot 14 con respecto a un sistema de coordenadas de referencia común, se determina a través de un procedimiento de calibración después del posicionamiento de los manipuladores 14 en la sala de operaciones. Desde el punto de vista funcional, después de la detección de un riesgo de colisión, el sistema de control debe detener los manipuladores 14 involucrados y advertir al cirujano S a través de una información en la pantalla apropiada y/o una retroalimentación de la fuerza de repulsión en la consola maestra 15. El cirujano S puede a continuación simplemente lograr la recuperación teleoperando uno de los manipuladores en una dirección segura. En una mejora adicional, se implementan varios niveles de seguridad para la colisión, utilizando al menos dos envolturas con diferentes márgenes para cada uno de los conjuntos de partes, por ejemplo, el brazo 26, la muñeca 28, la unidad efectora 30 y/o el instrumento 18. Después de detectar un riesgo de colisión con la envoltura más protuberante, el movimiento ordenado por el cirujano S en la dirección de la colisión disminuye abruptamente en función de la penetración en el área del margen. Otra ventaja con respecto a la configuración del brazo 26 se relaciona con la controlabilidad mejorada de los accionadores asociados a las articulaciones J1 , J2, J3. Cuando se compara con otras clases de robots (por ejemplo, robots esféricos o articulados), y como resultado de la configuración del brazo, el control de estos accionadores se mejora debido a que J1 , J2, J3 y J4 no se someten a cargas gravitacionales variables, y debido a que J1 , J3 y J5 no tienen cargas inerciales variables. Esto permite la optimización simplificada de los ciclos de control (por ejemplo, PID con envío de la alimentación) y lograr errores muy bajos del rastreo dinámico de la posición, por ejemplo, de unos cuantos conteos del codificador del motor únicamente. Además de las ventajas presentadas, el diseño mecánico debe considerar una estructura rígida pero de peso ligero para las conexiones L2 y L3, para limitar su deflexión y oscilaciones en caso de que la articulación J1 y/o la articulación J2 ejecuten un moviendo abrupto. Dos ventajas adicionales que resultan de la geometría del manipulador de robot 14 deben notarse. Primero, con la base del manipulador 24 localizada a una distancia suficiente de la mesa de operaciones 12 (por ejemplo, al menos 600 mm lejos), y el brazo 26 diseñado de manera que pueda girarse a mano alrededor de una articulación J2 (con los frenos liberados) a una posición estacionaria, el cirujano S puede tener acceso de manera rápida y fácil a la mesa de operaciones 12 para tareas manuales, tales como insuflación, retiro de órganos anatómicos, sutura final, etc. Además, la transferencia del paciente P a o lejos de la mesa de operaciones 12 es posible de manera rápida. En segundo lugar, en comparación con la geometría SCARA, utilizada por ejemplo, en el brazo del manipulador conocido por el nombre comercial ZEUS, que tiene una articulación de rotación del codo que conecta dos conexiones coplanares de longitud similar para alcanzar una cierta ubicación horizontal, la configuración cilindrica del manipulador 14 tiene una sola articulación de alargamiento radial J3 que reduce considerablemente el espacio tomado para colocar la muñeca 28 por encima del cuerpo del paciente P. Como se muestra en la Figura 2, esta característica permite que cinco manipuladores 14 y más, sean colocados en la mesa de operaciones 12, con la condición de que las dimensiones de la muñeca y de la unidad efectora sea suficientemente pequeña, es decir, ocupen un espacio suficientemente contenido en el espacio de trabajo disponible por encima del cuerpo del paciente. En los siguientes párrafos, se proporciona una descripción más detallada de la construcción del manipulador de robot 14 con referencia a las Figuras 7 a 15. La Figura 7 muestra varias características de la base 24. La base 24 incluye una placa de base principal 40 y está colocada como una estructura móvil por medio de cuatro ruedas 42 instaladas en las aberturas en las esquinas de la placa principal 40. Cada rueda 42 está encerrada en una cubierta 43 con una abertura para el acceso a una manija para extraer o retraer las ruedas 42. Cuando las ruedas 42 están retraídas, la base 24 descansa estable en el piso de la sala de operaciones por medio de soportes acojinados (no mostrados) de las ruedas 42. Después de extraer las ruedas 42, la base 24 incluyendo el manipulador de robot 14, puede moverse a mano. En un diseño diferente, la base 24 puede montarse en un eje del riel lineal móvil o fijo o en un carro diseñado para soportar varias bases 24 y los manipuladores 14 asociados. La placa de base principal 40 se diseña de manera que puede fijarse al piso si es necesario, por ejemplo, mediante tornillos utilizando los orificios 44, con el fin de proporcionar estabilidad adicional al manipulador de robot 14. El manipulador de robot 14 está unido a la base 24 a través de pernos en los orificios roscados 45. En la placa de base 40, varias perforaciones de alta precisión 46 se maquinan. Las perforaciones 46 sirven para soportar los reflectores de calibración óptica que se utilizan para determinar la posición y orientación de la base 24, por medio de un sistema de medición óptico, como se describe en "Robot calibration", de R. Bernhardt y S. Albright, ed. Chapman & Hall, 1993. Puede notarse que el manipulador de robot 14 es calibrado durante los procedimientos ajustados de fábrica, con el fin de determinar de manera exacta su modelo geométrico. Además, la base comprende un recinto 48 para el suministro de energía y los servoaccionadores de los motores sin escobillas, los dispositivos de acondicionamiento de la señal, medios para el procesamiento local de los sensores montados en el brazo y canales de comunicación para una unidad de control del sistema remoto. Como se muestra en la Figura 1 y se observa mejor en la Figura 8, un explorador láser de distancia 2D 22 se instala en la base 24, más precisamente en el recinto 48, para determinar la detección de la intrusión, por ejemplo, por el asistente A, adentro del perímetro de seguridad alrededor de las conexiones L2 y L3. Deberá notarse que generalmente dos diferentes tipos de manipuladores de robot 14 se utilizan en el sistema robótico médico 10. Aunque los dos tipos de manipuladores de robot 14 esencialmente tienen la misma geometría y configuración PRP cinemática del brazo 26, el primer tipo está colocado específicamente de manera preferida para manejar un endoscopio utilizado para la visualización, mientras que el segundo tipo está colocado sólo para manejar varias clases de instrumentos laparoscópicos adaptados 18 utilizados para la operación per se. Para la laparoscopia, normalmente se utiliza un manipulador de robot 14 del primer tipo, mientras que se utilizan varios manipuladores de robot 14 del segundo tipo. En el sistema robótico médico 10, las principales diferencias entre estos dos tipos de manipuladores de robot 14 son: el desplazamiento de la articulación J3 es mayor para un manipulador del endoscopio (aproximadamente 750 mm), debido a que requiere una rotación de 360° alrededor de su abertura de acceso (usualmente para propósitos de exploración). el desplazamiento de la articulación J4 es infinita para un manipulador del endoscopio, debido a que requiere una rotación de 360° alrededor de la abertura de acceso. Esto es permitido mediante el uso de un recolector de señal en el eje J4. la articulación J6 no se necesita para el manipulador del endoscopio, es decir, el endoscopio puede unirse directamente a la articulación J5. la unidad efectora 30 de un manipulador del endoscopio consiste normalmente del endoscopio y de un sensor de la fuerza/torque para detectar las fuerzas adicionales. los requisitos de velocidad/aceleración para todas las articulaciones están disminuidos por 60% mínimo para un manipulador del endoscopio, debido a que requiere capacidad de posicionamiento para el endoscopio únicamente.

Tomando en cuenta estas diferencias, la presente descripción se enfoca en el segundo tipo de manipulador de robot 14, puesto que el último tiene requisitos de diseño más rigurosos. Refiriéndose a la Figura 9, los detalles con respecto a la configuración de las articulaciones J1 a J3 del brazo del manipulador 26, incluyendo sus accionadores respectivos, se proporcionan a continuación. Como accionador lineal asociado, la articulación J1 (P) para la elevación del brazo comprende un eje lineal del tornillo esférico 50 (por ejemplo, un modelo adecuado de la serie ET producida por Parker Hannifin, Electromechanical División, Offenburg, Alemania y Poole, RU). El eje lineal del tornillo esférico 50 es accionado por un servomotor sin escobillas 51 equipado con un codificador de la posición del motor diferencial, y un freno. El eje lineal 50 se proporciona además con un sensor de la posición lineal absoluta adicional (no mostrado) en la etapa de salida, con los interruptores del límite y con un parachoques mecánico del final del desplazamiento (no mostrado). Una guía lineal vertical 52 está asociada de manera operativa con el eje lineal 50 con el fin de asegurar la linealidad del eje y la rigidez de la torsión. El eje lineal 50 está unido a abrazaderas 53 para montar el brazo 26 a la base 24. Los alambres de señal y energía son guiados en un canal del cable vertical (no mostrado) adentro de la cubierta de la articulación J1 . Una cubierta externa 54 encierra los componentes de la articulación prismática (P) J1 como se observa mejor en la Figura 3. Con respecto al montaje del accionador de la articulación J1 , puede notarse que la relación de reducción del motor/carga se ajusta para evitar la caída indeseada de la parte horizontal 29 también cuando el freno del motor se desacopla o cuando el servomotor 51 no está accionado. Además, un botón de paro de emergencia (no mostrado) se coloca en la cubierta externa 54, que sirve para detener el movimiento de todas las articulaciones de robot en caso de una emergencia. Como se observa en la Figura 9, los componentes mencionados anteriormente del brazo del manipulador 26 constituyen su parte esencialmente vertical 27. La Figura 9 también muestra la articulación (R) J2 que forma la articulación del hombro del brazo 26. Como se observa mejor en la Figura 10, la articulación J2 comprende un montaje de un servomotor sin escobillas 61 en línea con un engrane 62 del tipo Harmonio Drive® para accionar la carga. El motor sin escobillas 61 está equipado con un codificador de la posición y un freno seguro contra las fallas. Además, el montaje del accionador comprende un sensor de la posición giratoria absoluta 65, que es accionado por una banda 66 conectada a la etapa de salida del engrane 62, y un parachoques mecánico del fin del desplazamiento e interruptores del límite (no mostrados). Un interruptor clave (no mostrado), se proporciona en la cubierta 64, que permite liberar los frenos de las articulaciones J2, J3, J4, J5 y J6 cuando sus motores respectivos no están accionados. Esto permite mover el brazo 26 y la unidad efectora 30 a mano en una posición de aparcamiento. Los cables de la señal y de energía de las articulaciones corriente abajo J3 a J6 y de la unidad efectora 30 se encaminan de J3 a J1 a través de un conducto de cable flexible (no mostrado) que pasa adentro de la cubierta 64. De manera alterna, tales cables pueden guiarse, por ejemplo, a través del eje hueco de un engrane adaptado y el montaje del motor. La Figura 9 también muestra el diseño de la parte horizontal 29 del brazo 26, incluyendo la articulación (P) J3 para ajustar la extensión radial, es decir, la distancia de la parte horizontal 29. La articulación J3 comprende un eje de cilindro lineal 70, por ejemplo, un eje lineal del tornillo esférico, como el accionador lineal asociado. Por ejemplo, se utiliza un accionador modelo ET producido por la compañía mencionada anteriormente, accionado por un servomotor sin escobillas 71 equipado con un codificador de la posición del motor y un freno seguro a las fallas. La varilla del eje del cilindro lineal 70 mueve una palanca 72 que está configurada como un tubo rectangular y montada en los carritos de una guía lineal 73. Esta construcción permite reducir la deflexión lineal. El eje del cilindro lineal 70 se proporciona además con un sensor de la posición lineal absoluta adicional en la etapa de salida, con interruptores del límite y con parachoques mecánicos del final de la corrida (no mostrados). Las líneas de la señal y energía sin guiadas en una cadena del cable colocada horizontalmente. Una cubierta 74 se fija a las partes que forman la segunda conexión L2 y encierra los componentes de la articulación (P) J3, en particular, el accionador lineal 70 y la guía lineal 73. Como se observa en la Figura 9, la palanca 72, que forma parte de la conexión L3, se configura para telescopizarse respectivamente fuera de la cubierta 74. El brazo 26 se proporciona por lo tanto con una parte horizontal 29 que se estrecha en una extremidad, que requiere sólo una cantidad limitada de espacio por encima del paciente P. Además, se proporcionan de manera preferida lámparas en la parte superior posterior de la cubierta 74 para indicar visualmente el estado de energía y activación. Con referencia a las Figuras 1 1 -13, la construcción de la muñeca 28, y más particularmente las articulaciones J4 y J5, se describirá a continuación. El diseño mecánico y de accionamiento de la articulación (R) J4 mostrada en las Figuras 1 1 -13, comprende una placa de soporte 80 a la cual se monta verticalmente el servomotor sin escobillas 81 . El servomotor 81 se proporciona con un codificador de la posición 82 y un sensor hall en el eje del motor. Como el servomotor 81 , un modelo adecuado del motor serie EC de MAXON MOTOR A.G., Sachseln, Suiza, se utiliza por ejemplo. La articulación (R) J4 comprende además un mecanismo de transmisión a través de un engrane 83 acoplado al servomotor 81 y a través de una banda de transmisión 84 y un sistema de polea 85 para accionar una polea del eje de carga 86 que se acopla a un reborde de conexión 87. Un sensor de una sola vuelta absoluto adicional 88 se conecta a una polea 89, que también es accionada por la banda de transmisión 84, y se une al lado inferior de la placa de soporte 80. Con el fin de encaminar fácilmente los cables desde la articulación J5 a la articulación J4, el montaje que comprende la polea del eje de carga 86 y el reborde de conexión 87, tiene un eje hueco y una ventana lateral en el reborde de conexión 87. La placa de soporte 80 está unida de manera rígida a la palanca 72 por medio de dos placas de montaje 90. Como se observa en la Figura 14, una cubierta 92 sirve para proteger las partes de la articulación J4. Adentro de la cubierta, los cables de la unidad efectora 30, de las articulaciones J5 y J4 se proporcionan con conectores para hacer la muñeca 28 desprendible para propósitos de mantenimiento. Un botón de paro de emergencia se proporciona en la cubierta 92 de la articulación J4. Un freno seguro a las fallas se monta de manera preferida en el eje del servomotor 81. Con el fin de reducir la desviación lateral 01 , que podría constituir un factor limitante en una configuración con múltiples robots, el motor también puede alinearse con los ejes de la polea del eje de carga 86 y el sensor 88. En este caso, la placa de soporte 80 de manera preferida tiene un borde redondeado alrededor de la polea del eje de carga 86. El diseño mecánico y de accionamiento de la articulación (R) J5, también se muestra con más detalle en las Figuras 1 1 -13. Un miembro de soporte esencialmente con forma de L 100 articula la articulación J5 a la articulación J4, con una porción horizontal conectada a la articulación J4 y una porción vertical como un armazón fijo para la articulación J5. Comprende un servomotor sin escobillas 101 , por ejemplo, un modelo EC adecuado de MAXON MOTOR A. G., con un codificador de la posición 102 y un sensor hall en el eje del motor. Como se observa en la Figura 13, el servomotor 101 está montado transversalmente en el miembro de soporte 100. Como se observa en las Figuras 12 y 13, la articulación (R) J5 comprende además un mecanismo de transmisión a través de un engrane 103 acoplado al motor 101 y una banda de transmisión 104 y un sistema de polea 105 para accionar una polea del eje de carga 106. Un sensor de una sola vuelta absoluto adicional 108 se conecta a una polea 109 que también es accionada por la banda de transmisión 104, y se une al lado interno del miembro de soporte 100. Con el fin de encaminar fácilmente los cables de la unidad efectora 30 a la articulación J4, se incluyen varias características. Estas son dos orificios 1 10 y 1 12 proporcionados en el miembro de soporte 100, un pasaje central hueco 114 en la polea 106 y el reborde de la herramienta 32, y un soporte de encaminamiento del cable 1 16 para la polea 106. El miembro de soporte con forma de L 100 tiene refuerzos laterales para proporcionar una estructura rígida para soportar la unidad efectora 30 a través del reborde de la herramienta 32. Si se requiere, la articulación (R) J5 incluye de manera preferida interruptores del límite y un freno seguro a las fallas (no mostrado). Cuando se proporcionan, los últimos están montados de manera preferida en una polea accionada por una banda de transmisión 104 con el fin de reducir la desviación lateral O2, que puede constituir un factor limitante en una configuración con múltiples robots. Las Figuras 14 y 15 muestran la unidad efectora 30, diseñada para conectarse al reborde de la herramienta 32 de la articulación J5, con sus tres partes principales: un accionador del instrumento laparoscópico 120, un montaje del sensor 122 incluyendo un sensor de fuerza/torque de 6 DOF y un acelerómetro lineal/angular de 6 DOF, y una cubierta 124 para la articulación J6. La articulación J6 está conectada al montaje del sensor 122. El accionador del instrumento laparoscópico 120 se proporciona con un asiento 130 para montar un instrumento laparoscópico adaptado 18 al manipulador de robot 14. Por comodidad, el accionador del instrumento laparoscópico 120 y el montaje del sensor 122 incluyendo los sensores de medición de la fuerza, torque y aceleración se referirán con el acrónimo LIA y FTAS, respectivamente. Los componentes de la unidad efectora 30 se alinean de tal manera que la articulación J6 gira el instrumento laparoscópico adaptado 18 alrededor del eje longitudinal de simetría de la última, y de manera que este eje coincide con eje Z normal de los FTAS 122. La posición de la unidad efectora 30 con respecto al eje de rotación de la articulación (R) J5 se selecciona en el punto de equilibrio de la unidad efectora 30, de manera que evita la inclinación cuando la articulación J5 se detiene y no está accionada. Por lo tanto, un armazón de soporte principal 140 de la unidad efectora 30, que se conecta a la muñeca 28, se configura de manera que la unidad efectora 30 montada está equilibrada en el eje de rotación de la articulación (R) J5. La relación de reducción del motor/carga para la articulación J5 también contribuye a la resistencia a la inclinación. La Figura 15 muestra la construcción de la articulación J6. Al armazón de soporte principal 140 (a ser conectado al reborde de la herramienta 32), se le monta un motor sin escobillas 141 con un codificador diferencial 142 y un montaje de engrane 143. Una polea del motor 145 conectada al motor 141 , está acoplada a una polea de carga 146 por medio de una banda 144. La polea de carga 146 proporciona el DOF rotacional de la articulación J6. Un sensor de la posición absoluta adicional 148 se monta en el eje de la polea de carga 146 que coincide con el eje de la articulación (R) J6. El codificador de la posición 148 tiene un eje hueco para pasar las líneas de la señal y de energía del LIA 120 y los FTAS 122 a un recolector giratorio 150 del tipo de "anillo deslizante" o de contacto deslizante. El anillo deslizante 150 permite la rotación del eje infinito para la articulación J6. La polea de carga 146 está conectada a los FTAS 122 a través de un reborde de conexión 152. Los cables para las líneas de energía y de la seña! para LIA 120 y los FTAS 122, son guiados adentro de la cubierta 124 a través de un pasaje hueco en el reborde de conexión 152. Como se apreciará, el manipulador de robot 14 como un todo, se proporciona con canales internos para asegurar la guía protegida de todas las líneas de la señal y de energía, por ejemplo, de los componentes de las articulaciones J1 -J6 y la unidad efectora 30 tal como el LIA 120 y los FTAS 122. En una mejora adicional (no mostrada), la configuración de la articulación J6 implementa las siguientes dos modificaciones: Primero, la reducción de la desviación O3 localizando el montaje de motor-engrane-polea 141 , 143, 144, 145 a -90 grados con respecto a la orientación mostrada en la Figura 15. En segundo lugar, la desviación O4 se reduce configurando en montaje del motor-engrane 141 , 143 para que se localice más cerca del LIA 120. Como se apreciará, los ejes de rotación de las articulaciones J4, J5 y J6 se intersecan en el mismo punto en el espacio en la modalidad presentada. Por lo tanto, una desviación potencial causada por la conexión L5 se elimina. Como se muestra en la Figura 23 y la Figura 24, un diseño alterno podría presentar, sin embargo, una desviación 05 debido a la conexión L5, por ejemplo, con el fin de mejorar la maniobrabilidad en el caso de que dos instrumentos laparoscopicos adaptados 18 se inserten en los trocares localizados cerca (aberturas de acceso 20). Por ejemplo, el diseño específico mostrado en las Figuras 23 y 24, proporciona una muñeca del manipulador modificada 28' que tiene una desviación negativa 05 debido a la conexión L5. Esta desviación negativa 05 permite colocar la unidad efectora 30 de un primer manipulador de robot 14 por encima de la unidad efectora 30 de un segundo manipulador de robot 14 sin colisión entre las muñecas 28'. Esta configuración modificada requiere sin embargo, una distancia incrementada para la articulación J3 y capacidades de velocidad y aceleración más altas para las articulaciones J2, J3 y J4. Como se apreciará de la Figura 24, la configuración de la muñeca 28' es ventajosa para operar múltiples aberturas de acceso 20 localizadas cerca (trocares 200). Se entenderá que un valor preferido de la desviación O5 entre el eje de rotación de J6 y J4 como se muestra en la Figura 23, es de aproximadamente el diámetro del LIA 120 en su sección transversal más grande. Algunos aspectos y ventajas adicionales con respecto al diseño del manipulador de robot 14 y sus componentes se detallarán a continuación.

Con respecto a la configuración descrita de las transmisiones y motores utilizados para la muñeca 28 y la unidad efectora 30, otras configuraciones también son posibles utilizando, por ejemplo, cables y poleas como medios de transmisión o montajes compactos de engrane-motor-freno con motores de torque. Los cables y poleas como transmisiones son, sin embargo, más difíciles para la implementación y el mantenimiento, mientras que los montajes basados en motores de torque son generalmente menos compactos. Por la seguridad del sistema descrito, se seleccionaron servoaccionadores que tienen una función de "freno dinámico" para permitir detener los motores 51 , 61 , 71 , 81 , 101 , 141 en caso de un paro de emergencia. La cubierta extema del manipulador de robot 14 se hace de un material de plástico que se puede limpiar adecuado, y posiblemente en parte de aluminio, pero todas las partes conductoras externas están conectadas a tierra eléctrica. Todos los componentes internos están protegidos contra EMI con respecto a la recepción y emisión. Con respecto a la esterilización en la sala de operaciones, una bolsa de plástico estéril se utiliza normalmente para cubrir el manipulador de robot 14 completamente, es decir, de la unidad efectora 30 a la base 24. Con respecto al accionamiento, el diseño del manipulador de robot 14 como se describió anteriormente, presenta dos ventajas adicionales: Primero, las articulaciones del manipulador de robot 14 pueden accionarse manualmente, excepto la articulación J1 , debido a que presenta una alta fricción estática e inercia invertida. En otras palabras, cuando todos los frenos están desacoplados, la unidad efectora 30 montada en la muñeca 28 en el reborde 32 puede moverse a mano a través de accionamiento manual de las articulaciones J2, J3, J4, J5 y J6, que requieren una fuerza de empuje menor de 5 kg únicamente (en una dirección horizontal). En segundo lugar, la seguridad del sistema se incrementa mediante redundancia sensorial. Como se describió anteriormente, cada una de las articulaciones J1 a J6 tienen tanto un codificador de la posición en el eje del motor como un sensor de la posición adicional (por ejemplo, 65, 88, 108, 148) que mide la salida del movimiento efectivo de la articulación respectiva. En la práctica, esta redundancia sensorial se utiliza para detectar fallas (por ejemplo, de un alambre, de una banda o de un servoaccionador del motor). Además, el diseño evita las condiciones de final de la corrida en cada una de las articulaciones J1 a J6. El final de la corrida ocurre cuando una articulación trabaja fuera de su límite de movimiento y es una condición crítica particularmente en la cirugía robótica teleoperada, debido a que es difícil y problemático que el cirujano S logre la recuperación con un instrumento 18 insertado en el cuerpo del paciente P. Con el fin de evitar las condiciones del fin de la corrida, las articulaciones prismáticas J1 , J3 del brazo 26 se diseñan con suficiente desplazamiento y la articulación cilindrica J6 de la unidad efectora 30 se diseña para la rotación ilimitada. Como resultado la evasión de las condiciones de fin de la corrida requiere únicamente que se respete cierta configuración inicial y condiciones de ajuste predeterminadas.

La Figura 16 muestra de manera esquemática un trocar 200 y su espacio de trabajo 202 externo al cuerpo del paciente P. Un armazón de referencia del fulcro FRF también se muestra en la Figura 16, por medio de un sistema de coordenadas cartesianas (x, y, z), con el eje z orientado hacia arriba aproximadamente paralelo a la dirección de la gravedad. El trocar 200 se introduce normalmente a través de una pequeña incisión en el abdomen del paciente P, indicado en 204, en la cavidad peritoneal. El trocar 200, junto con la incisión forman una abertura de acceso 20 como se muestra en la Figura 1 y 2. Con el fin de alcanzar el órgano o región en el cual se va a llevar a cabo la operación, el eje longitudinal del trocar 200 indicado por z' se gira en el espacio de trabajo 202 alrededor del origen de FRF, nombrado el punto pivote 206. En otras palabras, este origen define un fulcro para el trocar 200. El fulcro se determina de manera preferida entre la pared abdominal y la piel del paciente P, en la ubicación de menor resistencia a la inclinación, con el fin de reducir el riesgo de extraer el trocar 200. Los siguientes intervalos máximos de fuerza y torque se registraron experimentalmente en un sensor de fuerza/torque de 6 DOF colocado en la manija de un instrumento laparoscópico modificado (véase "Surgeon-Tool Force/Torque Signatures - Evaluation of Surgical Skills ¡n Minimally Invasive Surgery", de J. Rosen et al., Actas de las Juntas de Medicina en Realidad Virtual, MMVR-7, IOS Press, San Francisco, CA, Enero de 1999): Fuerzas: Fx, Fy = ± 10 N; Fz = ± 30 N; Momentos: Mx, My = ± 1 Nm; Mz = ± 0.1 Nm. En la presente, F¡ representa la fuerza a lo largo del eje correspondiente i = x, y o z, y Mi representa el momento alrededor del eje correspondiente i = x, y o z del FRF en la Figura 16. Los intervalos de operación del sensor fuerza-torque en los FTAS 122 deberá tomar en cuenta estos valores más el peso del LIA 120, las cargas dinámicas del movimiento y la resistencia al giro y a la penetración ejercidas en el trocar 200. En la práctica, el sensor de fuerza-torque en los FTAS 122 se utiliza para la reflexión de la fuerza/torque, es decir, retroalimentación de la fuerza/torque a una interconexión háptica operada por el cirujano S, para accionar manualmente la unidad efectora 30 utilizando los FTAS 122 como una palanca de mando, y para verificar la fuerza/torques que interactúan con un instrumento 18 conectado a la unidad efectora 30, por ejemplo, las fuerzas/torques en la punta del instrumento 18 o en el punto pivote 206 en la Figura 4. El acelerómetro lineal y radial en los FTAS 122 se utiliza para compensar la gravedad y al influencia de la aceleración en la información del sensor de fuerza-torque. Los ejes de medición del acelerómetro y el sensor de fuerza-torque en los FTAS 122 son geométricamente coincidentes. Durante la operación, un instrumento laparoscópico 18 se inserta a través del trocar 200. Para la mayoría de los procedimientos quirúrgicos, el cirujano S opera el instrumento 18 dentro de los siguientes intervalos máximos de espacio de trabajo angular y velocidad alrededor del FRF de la Figura 6: CUADRO 1 En el diseño y configuración de algunos manipuladores de robot de la técnica anterior, el punto pivote del trocar 200 permanece fijo después de la instalación de la muñeca gracias al arreglo mecánico de la estructura de la muñeca que gira alrededor de un punto fijo (véase, por ejemplo: "Centro remoto de robot de movimiento", por Taylor et al., Patente de E.U.A. No. 5667323, Mayo de 1995). Otros diseños de la técnica anterior implementan un dispositivo mecánico a lo largo de los ejes de pivote con el fin de limitar las fuerzas aplicadas al trocar (véase, por ejemplo: "Sistema robótico médico", de Wang et al., Patente de E.U.A. No. 6102850, Agosto del 2000). En oposición a eso, el manipulador de robot 14 propuesto en la presente se diseña sin un dispositivo mecánico ni un centro de movimiento, pero se basa en el movimiento resuelto exacto alrededor de un punto pivote 206, determinado por un procedimientos específico, y en el control en tiempo real de las fuerzas y torques aplicados a la unidad efectora 30, con el fin de optimizar la ubicación del punto pivote 206. Además, esta característica proporciona la flexibilidad de trasladar el punto pivote 206, si lo requiere el cirujano S, con el fin de mejorar el espacio de trabajo intraabdominal. Otra ventaja es la capacidad de adaptarse a variaciones de la ubicación absoluta del punto pivote 206 debido, por ejemplo, a la pérdida de presión abdominal. Como es evidente, el manipulador de robot 14 debe tener ciertas capacidades de movimiento con el fin de proporcionar a la unidad efectora 30 una destreza comparable al manejo manual de los instrumentos laparoscópicos por los cirujanos. Basándose en las condiciones de movimiento proporcionadas en el Cuadro 1 , las capacidades cinemáticas preferidas que se han encontrado para las articulaciones J1 a J6 en este ejemplo específico, se resumen en el Cuadro 2. Los ángulos de giro, paso y oblicuidad, pueden definirse con relación a un sistema de referencia absoluto, por ejemplo, en el fulcro.

CUADRO 2 En términos de capacidades de velocidad y aceleración para la articulación respectiva, los valores proporcionados en el Cuadro 1 son relativamente altos, y por lo tanto requieren accionadores fuertes, una estructura rígida del brazo 26 y la muñeca 28 y una fijación al piso apropiada por medio de la base 24. Obviamente, pueden elegirse valores menores que conducen a requisitos reducidos, pero esto viene al costo de dinámicas reducidas en el punto pivote 206. Otro aspecto relevante, especialmente en la cirugía robótica teleoperada con reflexión de fuerza, es el requisito de exactitud para el manipulador 14. Una exactitud suficiente contribuye a reducir las tensiones en la incisión del trocar, y permite llevar a cabo una compensación precisa de la fuerza/torque. En el diseño elegido, la exactitud estática del manipulador 14 en la conexión para la unidad efectora 30, es decir, en el reborde de la herramienta 32 (véase la Figura 4), debe ser mejor que ± 2 mm para la posición y mejor de ± 0.1 ° para la orientación en el FRF (véase la Figura 16). En la presente, una carga externa de 1 .5 kg se supone en la punta de un instrumento laparoscopico conectado 18 y el FRF se supone a 280 mm del eje de la articulación (R) J5. La exactitud dinámica deberá ser mejor de ± 4 mm para la posición y ± 0.5° para la orientación en el FRF. Estas características se obtienen, entre otras cosas, a través del maquinado mecánico exacto de las partes estructurales, la rigidez de las conexiones L1 -L6 y las articulaciones J1-J6, suficiente resolución de los sensores de la posición, afinación apropiada de los ciclos de control del motor PID, calibración de la cinemática del manipulador, etc. En este contexto, los sensores de la posición absoluta mencionados anteriormente (por ejemplo, 65, 88, 108, 148), proporcionados en la salida de cada articulación J1 a J6, proporcionan las siguientes ventajas: Regreso de las articulaciones J1 a J6 del manipulador de robot 14 sin accionar las articulaciones; esto significa que el valor inicial de los sensores diferenciales utilizados para controlar los motores, se proporciona por los sensores absolutos. Si los sensores absolutos no están disponibles, puede implementarse un procedimiento de regreso moviendo cada articulación en una dirección dada para encontrar una señal de referencia. Los movimientos no automáticos para el regreso al inicio aseguran un procedimiento de instalación rápido y seguridad mejorada. La determinación en tiempo real de la posición y orientación de la unidad efectora 30 evita los errores de elasticidad de la articulación causados por los mecanismos de transmisión; Verificación de las desviaciones del manipulador de robot 14 del FRF; Detectar una falla de transmisión de la articulación (por ejemplo, ruptura de la banda) u otra falla de los elementos físicos, verificando la consistencia de los datos utilizando las posiciones indicadas por el codificador del motor respectivo proporcionado en cada articulación J1 -J6. Otro aspecto en la robótica es el modelo matemático utilizado para controlar el manipulador de robot 14. Apartándose de un modelo teórico del manipulador de robot 14, el modelo "concreto" efectivo y exacto, que incluye los parámetros tales como las desviaciones para el arreglo de la cinemática, la elasticidad de las articulaciones J1 a J6, la elasticidad de las conexiones L1 a L7, el contragolpe de los accionadores y otros errores de la linealidad, se determinan de manera necesaria durante un procedimiento de calibración. El modelo del manipulador "concreto" identificado se utiliza para tres propósitos: primero, para mejorar la exactitud del manipulador de robot 14 utilizando el modelo teórico en el controlador del movimiento (que simplifica el cálculo de la cinemática inversa) con desviaciones de las articulaciones y longitudes de las conexiones reales; segundo, para calcular de manera exacta en tiempo real a través de la formulación hacia delante, la posición y orientación de los FTAS de 6-DOF 122 y las cargas unidas (estos valores se requieren para compensar las cargas de la gravedad y la aceleración); tercero, para determinar en tiempo real a través de la formulación hacia adelante, la posición y orientación de la punta del instrumento y deducir los parámetros requeridos para la reflexión de la fuerza (por ejemplo, la penetración del instrumento 18). Los siguientes párrafos proporcionan una descripción más detallada del accionador del instrumento laparoscópico (LIA) 120. Como se observa en las Figuras 14 y 15, el LIA 120 forma parte de la unidad efectora 30. El LIA 120 proporciona una interconexión de accionamiento genérico para utilizar instrumentos laparoscópicos estándar tales como fórceps de sujeción/disección, tijeras, herramientas de succión/irrigación, etc., con el manipulador de robot 14. Por lo tanto, el LIA 120 forma la extremidad del manipulador 14 y representa su parte de la mano puesto que reproduce las acciones de una mano del cirujano. El LIA 120 comprende un alojamiento 154, el extremo posterior del cual forma un reborde de la interconexión 156 para la conexión a los FTAS 122, mientras que su extremo frontal forma la extremidad del manipulador de robot 14. En una configuración diferente de una unidad efectora, un LIA podría incluir la articulación J6. Esta configuración requiere, sin embargo, un diseño mecánico más complejo del adaptador del instrumento que debe incluir un mecanismo de rotación junto con el mecanismo de abertura-cierre y la transmisión de la energía. Además, el campo estéril debe mantenerse incluso con el mecanismo de rotación. El LIA 120 mostrado en las Figuras 14-15 y las Figuras 18-22 está adaptado para utilizarse con cualquier instrumento laparoscópíco estándar que pueda dividirse en una manija en un lado, y un vástago en el otro lado. En la presente, el vástago se define como un tubo alargado comparativamente delgado que tiene en su punta, por ejemplo, insertos de mordazas de fórceps/tijeras, medios de succión/irrigación, herramientas básicas como un bisturí o un dispositivo de cauterización/corte. El extremo opuesto a la punta comprende un receptáculo que está diseñado para conectar el vástago a la manija para el cirujano. La compatibilidad del manipulador de robot 14 con los instrumentos estándar se logra mediante el diseño del LIA 120 y el diseño de los adaptadores del vástago del instrumento correspondientes, en lo siguiente referidos con el acrónimo ISA, un ejemplo del cual se muestra en la vista en sección parcial en la Figura 17.

La Figura 17 muestra el ISA (adaptador del vástago del instrumento) 300 al cual un vástago del instrumento 302 puede conectarse. El ISA 300 es conectable al LIA 120 montándolo en el asiento 130 mostrado en la Figura 15. Para este efecto, el ISA 300 comprende un estuche 303 con una superficie externa esencialmente cilindrica. Como se observa en la Figura 17, el ISA 300 está diseñado como un elemento de acoplamiento entre el vástago del instrumento 302 de un instrumento (laparoscópico) convencional y el LIA 120. Para este efecto, el ISA 300 comprende un conector del vástago 304 en su extremo frontal. El conector del vástago 304 está conectado para la conexión a un receptáculo del tipo específico 306 del vástago 302, que depende del instrumento real. Originalmente, el receptáculo 306 se diseña para la conexión a una manija del instrumento laparoscópico (no mostrada). Como se observa en la Figura 17, el conector del vástago 304 reproduce el conector de la manija original para la cual se diseñó el vástago 302. El ISA 300 comprende además un medio de acoplamiento como un miembro de acoplamiento 308 para asegurar la conexión al LIA 120. El miembro de acoplamiento 308 está colocado lateralmente en el estuche 303 y sobresale radialmente del mismo para bloquear la rotación del ISA 300 cuando se monta al LIA 120. Un pequeño bloque metálico 309 se incluye en el miembro de acoplamiento 308 con el fin de proporcionar una superficie de detección metálica para un interruptor de presencia inductivo (véase, parte 404 descrita a continuación) del LIA 120. Un pistón deslizable linealmente 310 se coloca en una guía cilindrica 312 interna al ISA 300. Un pasador de corredera cilindrico 314 se une transversalmente al pistón 310 y sobresale fuera del estuche 303 para operar el pistón 310. La operación de deslizamiento del pistón 310 acciona una varilla dentro del vastago del instrumento 302 para operar la herramienta en la punta del vástago del instrumento 302. Como se apreciará, el ISA 300 reproduce la funcionalidad de la manija conectada originalmente al vástago 302 con respecto a la operación del vástago del instrumento 302, mientras que proporciona con el LIA 20 una interconexión de unión para el manipulador de robot 14. Se entenderá que la modalidad específica del ISA 300 mostrada en la Figura 17, se diseña para un instrumento que requiere el accionamiento mecánico tal como una función de abertura/cierre para la punta del instrumento, por ejemplo, tijeras y sujetadores con o sin transmisión de energía eléctrica unipolar o bipolar. Una variedad de otros tipos de adaptadores análogos también están abarcados por la presente descripción, cada adaptador está adaptado para un tipo específico de instrumento laparoscopico, es decir, un tipo especifico de vástago (por ejemplo, 302), que se va a conectar al LIA 120. En consecuencia, el ISA comprende, dependiendo de los requisitos del instrumento, un pasador de corredera lineal 314, por ejemplo, para el accionamiento de las mordazas del instrumento, uno o más conectores eléctricos 318, por ejemplo, para la energía de cauterización unipolar o bipolar, etc., y/o una o más conexiones del conducto, por ejemplo, para instrumentos de irrigación o succión. Aunque se muestra en la Figura 17 con conectores eléctricos 318, se entenderá que para un instrumento simplemente mecánico 18, las partes del ISA 300 que forman los conectores eléctricos 18 (dibujados en un ancho de línea delgada en la Figura 17), no necesitan proporcionarse. Puede notarse que el material constituyente de cualquier tipo de ISA debe elegirse de manera que pueda esterilizarse, por ejemplo, a través de un autoclave de vapor. De hecho, en virtud del diseño del LIA 120, el ISA es la única parte del sistema robótico médico 10 que necesita esterilizarse (además del vástago del instrumento, por supuesto). Durante la operación, el alojamiento 154 del LIA 120 y las otras partes de la unidad efectora 30, se encierran en una bolsa de plástico estéril. Aunque no se muestra, es evidente que para los instrumentos no accionados mecánicamente pero energizados eléctricamente, tales como electrobisturís o cuchillas, el ISA no necesita tener el pasador de corredera 314 y una transmisión mecánica asociada. Para los instrumentos tales como una cánula de irrigación o succión, el ISA está equipado con dos tubos que son comandados de manera remota a través de electroválvulas accionadas de manera eléctrica mediante el sistema de control del robot. El LIA 120 mostrado en la Figura 18 está diseñado de peso ligero (por ejemplo, menos de 800 g del peso total) y para adaptarse en una envoltura cilindrica relativamente pequeña de aproximadamente 90 mm o de manera preferida 75 mm de diámetro, para incrementar el espacio de trabajo disponible de dos herramientas adyacentes con aberturas de acceso cercanas 20. La longitud total del LIA 120 (aproximadamente 130 mm en un ejemplo específico), se determina principalmente por la longitud del ISA 300. La longitud del LIA 120 se reduce al mínimo con el fin de limitar la distancia entre el eje de rotación de la articulación J5 y el punto pivote 206 del FRF (véase la Figura 7). De hecho, la desviación de la distancia es determinante para el intervalo de desplazamiento y las capacidades de velocidad/aceleración de todas las articulaciones del manipulador J1 a J5. Se recomienda, sin embargo, que la longitud del LIA 120 sea de al menos 6 cm con el fin de permitir la sujeción del LIA 120 a mano en un modo manual (es decir, utilizando el alojamiento 154 conectado a los FTAS 122 como una "palanca de mando"). Como se observa en la Figura 18, la superficie externa del alojamiento 154 tiene bordes lisos. Se hacen de un material fácilmente limpiable, de peso ligero y no conductor. Además, el LIA 120 tiene un diseño simétrico parcialmente giratorio con respecto al vástago 302 de un instrumento adaptado 18 montado utilizando un ISA 300. Cuando el ISA 300 se conecta de manera apropiada al LIA 120, el eje del vástago 302 coincide con el eje de giro de la articulación J6 y con el eje normal de los FTAS 1 22. Como se observa además en la Figura 18, el alojamiento 154 del LIA 120 comprende un mecanismo de accionamiento lineal 400 para accionar un instrumento montado 18 por medio del ISA 300, como se detallará a continuación. El asiento 130 está formado como un rebajo semicilíndrico alargado cóncavo en una superficie de acceso 401 del LIA 120, para facilitar la inserción y extracción del ISA 300. El asiento 130 para recibir el ISA 300 es aproximadamente coaxial con el eje de rotación de la articulación J6, y se extiende a lo largo del eje central del alojamiento 154. Como se apreciará, la dirección de montaje y retiro del ISA 300 con respecto al LIA 120, es radial con relación al eje de rotación de la articulación J6. El LIA 120 está configurado de manera que el asiento 130 es accesible desde toda la mitad del plano por encima de la superficie de acceso 401 . Como se observa en la Figura 18, el asiento 130 comprende una hendidura longitudinal 402 que profundiza el asiento 130 radialmente en el cuerpo del LIA 120. La hendidura adicional 402 está configurada para recibir el miembro de acoplamiento 308 del ISA 300. La parte que se acopla de un mecanismo de aseguramiento 406 asociado con el asiento 130, se coloca en la hendidura 402 y coopera con el miembro de acoplamiento 308. El asiento 130 está formado como un rebajo semicilíndrico con una porción de extremo redondeada conformada a la forma cilindrica externa del estuche 303 del ISA 300. Un detector de presencia 404, por ejemplo, un interruptor de presencia inductivo, se coloca en el asiento 130 para la detección de la presencia del ISA 300, detectando el bloque metálico 309 (véase la Figura 17). Un botón del interruptor para parar en caso de emergencia 408, permite cambiar el sistema de control del manipulador de robot 14 al modo manual. En el modo manual, el LIA 120 (y, si está conectado, el instrumento 18), se coloca y orienta por el manipulador de robot 14 utilizando la información producida por el asistente que maneja el alojamiento 154 del LIA 120 y leída por los FTAS 122. El modo manual es particularmente útil para insertar o extraer un instrumento a través de un trocar.

Los detalles del mecanismo de accionamiento lineal 400 se observan mejor en la Figura 20. El mecanismo de accionamiento 400 comprende un motor sin escobillas en miniatura 41 1 conectado vía una caja de engranes 412 y poleas 414 y 416, que están acopladas por una banda 418 a un tornillo esférico 420. El tornillo esférico 420 coopera con una tuerca 422 colocada en el mismo, para transformar la rotación en movimiento lineal como se observa en la Figura 19. La tuerca 422 es guiada por una guía lineal 424 con el fin de reducir los esfuerzos transversales en el tornillo esférico 420. Los interruptores del límite inductivos 426 y 428 se colocan en las ubicaciones de fin del desplazamiento de la tuerca 422, y se conectan a una unidad de control para limitar el desplazamiento del mecanismo de accionamiento 400. Como se observa en la Figura 19, el mecanismo de accionamiento 400 comunica el movimiento lineal a un carro de corredera 430 del LIA 120, como se detallará a continuación. En una modalidad preferida, los siguientes parámetros se eligieron para el mecanismo de accionamiento 400: desplazamiento mecánico máximo del carro de corredera 430: 7 mm (normalmente 5 mm son suficientes para instrumentos estándar, pero se ha encontrado que varios vástagos del mismo tipo pueden tener longitudes de desplazamiento que varían hasta 2 mm); intervalo de la velocidad de desplazamiento: de 1 mm/segundo a 20 mm/segundo; fuerza de accionamiento máxima: 200 N; Los motores graduales se evitan de manera preferida en el LIA 120, debido a que producen vibraciones que serían una fuente considerable de ruido para los FTAS 122. Por lo tanto, se utiliza un motor sin escobillas en miniatura 41 1 equipado con un codificador de la posición del eje. Tales motores están disponibles, por ejemplo, de Faulhaber GmbH, Schoenaich, Alemania. Otros mecanismos de movimiento lineal no vibratorios tales como una transmisión accionada por cable sin embargo, no se excluyen. La Figura 20 muestra una unidad de energía y control 440 para el motor 41 1 que está incluida en el alojamiento 154 del LIA 120 y suministrado, por ejemplo, con energía de 24 VDC. Con el fin de reducir además el diámetro del alojamiento 154, la unidad de energía y control 440 puede colocarse en un alojamiento adicional ya sea entre el reborde 156 y los FTAS 122, o entre los FTAS 122 y un reborde de conexión a la articulación J6 (no mostrado), o dentro de la cubierta 124 de la articulación J6, por ejemplo, detrás del colector del anillo de deslizamiento 80 cerca del motor 141. La unidad de energía y control 440 se diseña ínter alia para accionar el carro de corredera 430 con un perfil de velocidad dado de acuerdo con los comandos de la posición recibidos, para limitar la corriente del motor sobre demanda por el usuario, para manejar el movimiento basándose en las señales de los interruptores del límite 426, 428, para regresar el motor 41 1 utilizando un interruptor del límite, y para verificar el detector de presencia 404 en el alojamiento 154. Otras funciones de seguridad, por ejemplo, funciones de paro de emergencia, también se ¡mplementan utilizando un servoerror del motor 41 1 , es decir, una posición objetivo menos la posición efectiva, y la protección térmica del motor 41 1 . Con el fin de reducir el espacio requerido para el LIA 120, el mecanismo de accionamiento lineal 400 no está equipado con un sensor de la posición absoluta. Sin embargo, un procedimiento de regreso automatizado se asegura utilizando los interruptores del límite 426 y 428 como sensores de la base. Durante la operación, la posición absoluta del carro de corredera 430 puede registrarse periódicamente, por ejemplo, en una memoria adecuada del sistema de control del robot, para la recuperación rápida del sistema después de un paro o falla de la energía. La presencia del ISA 300, es decir, si está montado de manera correcta al LIA 120, se detecta a través del interruptor de la presencia inductivo 404 (véase la Figura 18), colocado en el asiento 130. La salida del interruptor de la presencia inductivo 404 se alimenta a una entrada disponible de la unidad de control 440. Como se observa mejor en las Figuras 17 y 19, el carro de corredera 430 del mecanismo de accionamiento 400 está adaptado para recibir el pasador de corredera 314 del ISA 300. Mediante la acción del motor 41 1 , el carro de corredera 430 se vuelve a colocar para accionar el pasador de corredera 314 de un ISA 300. El pasador de corredera 314 a su vez acciona el pistón 310 para operar un elemento de trabajo o herramienta en la punta del vastago 302 (no mostrada), por ejemplo, un mecanismo para abrir/cerrar las mordazas. En otras palabras, la combinación del mecanismo de accionamiento lineal 400 y el ISA 300 simula la acción de la manija que se ha retirado del vástago 302 y se reemplaza por el ISA 300. La inserción del pasador de corredera 314 en el carro de corredera 430 se facilita mediante superficies de guia biseladas 434. La Figura 21 y la Figura 22 muestran con más detalle la configuración del mecanismo de aseguramiento 406 del LIA 120, sólo mostrado parcialmente en la Figura 18. El mecanismo de aseguramiento 406 está configurado como un sujetador y comprende un pestillo deslizable 450 colocado en la hendidura 402 (mostrado en la Figura 18) del asiento 130. Se entenderá que el pestillo 450 es guiado por medios adecuados en la hendidura 402. La hendidura 402, junto con el pestillo deslizable 450, están configurados para recibir de manera acoplada el miembro de acoplamiento 308 del ISA 300 mostrado en la Figura 17. El pestillo 450 comprende dos puntas 452 para acoplar dos protuberancias 316 formadas por ranuras en el miembro de acoplamiento 308 (véase la Figura 17). Los bordes del miembro de acoplamiento 308 están redondeados para facilitar la inserción y el retiro en/desde la hendidura 402. El diseño del pestillo 450 se observa mejor en la Figura 22. Un resorte 454 impulsa de manera elástica el pestillo 405 hacia los FTAS 122. Una perilla guiada linealmente 456 permite girar un pivote 458 que está acoplado al pestillo guiado linealmente 450 con el fin de desacoplar manualmente el pestillo 450 del miembro de acoplamiento 308, cuando el ISA 300 se va a retirar. Las puntas 452 del pestillo 450 están biseladas para permitir la inserción del ISA 300 simplemente mediante empuje. Las porciones de acoplamiento de las puntas 452 y las protuberancias 316 están redondeadas de acuerdo con un perfil conjugado con el fin de limitar los daños a una hoja de plástico estéril utilizada para cubrir el LIA 120. Como se entenderá, otros mecanismos de acoplamiento o aseguramiento equivalentes pueden utilizarse también, por ejemplo, utilizando imanes permanentes instalados en el LIA con placas metálicas y una palanca basada en una leva montada en el ISA para reemplazar el mecanismo de sujetador. Se prefiere que el mecanismo de fijación, por ejemplo, el mecanismo de aseguramiento 406 y el miembro de acoplamiento 308, estén diseñados para asegurar que el ISA 300, cuando se monta en el LIA 120, pueda resistir las siguientes fuerzas y momentos sin desconectarse del LIA 120: fuerzas de tracción y compresión de 100 N; momentos de torsión que corresponden a fuerzas radiales de 15 N en la punta del instrumento; momentos de flexión de hasta 5 Nm. Se apreciará que el LIA 120 y cada ISA cooperante (por ejemplo, 300), se diseñan para una instalación manual y retiro fáciles y rápidos de un instrumento laparoscópico adaptado 18, es decir, un vástago (por ejemplo, 302) montado con un ISA (por ejemplo, 300), por el asistente A del cirujano. La forma externa esencialmente cilindrica del ISA 300, su miembro de acoplamiento 308, el asiento 130, la hendidura 402 y el mecanismo de aseguramiento 406 como se describió anteriormente, proporciona una inserción guiada y un procedimiento de conexión simple del ISA 300 al LIA 120. El diseño asegura la rigidez requerida cuando el ISA se inserta y un procedimiento de extracción simple por medio de unos cuantos movimientos manuales. Por medio de este diseño, la inserción y extracción del instrumento adaptado 18 (es decir, el vástago y el ISA), puede llevarse a cabo esencialmente tan rápido como las operaciones quirúrgicas manuales, en donde el asistente reemplaza un instrumento convencional para el cirujano en aproximadamente 6-9 segundos. Deberá notarse que la inserción o retiro de un instrumento adaptado 18 que comprende el ISA (por ejemplo, 300) y el vástago (por ejemplo, 302), puede hacerse de manera segura en ambos casos, cuando el instrumento está fuera del cuerpo del paciente P o cuando el instrumento se inserta en el cuerpo del paciente P. También es posible llevar a cabo el retiro cuando el pasador de corredera 314 es accionado. Antes de montar el instrumento adaptado al LIA 120, deben cumplirse varias condiciones preliminares. Primero, si el instrumento está insertado parcialmente en el trocar (sin exceder la longitud del trocar), el LIA 120 debe colocarse previamente y orientarse por el manipulador 14 en una posición mostrada que alinea el eje de rotación de la unidad efectora 30 (articulación J6) con el trocar. Segundo, el carro de corredera 430 debe colocarse en la "posición de referencia de inserción" por el sistema de control del robot, por ejemplo, una posición más cercana al reborde de la interconexión 156. Cuando un ISA (por ejemplo, 300) se retira, el carro de corredera 430 debe moverse automáticamente en esta "posición de referencia de inserción" mediante el sistema de control de robot. Como se mencionó anteriormente, la presencia, ausencia o liberación anormal de un ISA puede detectarse mediante el detector de presencia 404. Tercero y si está presente, el pasador de corredera (por ejemplo, 314) del ISA (por ejemplo, 300), debe estar en la "posición de referencia de inserción" que corresponde a aquélla del carro de corredera 430. Esta posición del pasador de corredera 314 se define de manera preferida de manera que el instrumento está en una configuración "cerrada", por ejemplo, las mordazas de un instrumento de fórceps/tijeras están cerradas de manera suelta, pero suficiente en esta posición. Como se ilustra mejor en la Figura 14, el procedimiento de inserción de un instrumento laparoscópico adaptado 18 que incluye un ISA (por ejemplo, 300) y un vástago (por ejemplo, 302), puede llevarse a cabo mediante sólo un simple movimiento manual de acuerdo con la flecha 460 que consiste de colocar el ISA (por ejemplo, 300) en su asiento 130 y de empujar ligeramente sobre el ISA a lo largo de la misma dirección para acoplar el miembro de acoplamiento 308 con el mecanismo de aseguramiento 406. El detector de presencia 404 proporciona un resultado afirmativo cuando el miembro de acoplamiento 308 está instalado de manera correcta en la hendidura 402. Durante este procedimiento de inserción, el carro de corredera 430 acopla el pasador de corredera 314 sin la necesidad de medidas adicionales, si las condiciones mencionadas anteriormente se han cumplido. Cuando el cirujano S solicita un cambio de instrumento a través de su consola maestra 15, cuatro operaciones se llevan a cabo normalmente de manera automática por el sistema de control de robot. Primero, el sistema de control del robot controla el instrumento 18 para liberar cualquier tejido. Segundo, mueve el instrumento cerca de la abertura del trocar, siguiendo la dirección del eje del instrumento. Tercero, la punta de la herramienta, por ejemplo, las mordazas del instrumento, se llevan en una configuración que evita enganchar la punta en el trocar. Cuarto, libera el motor de la articulación J6 de manera que el asistente A del cirujano puede girar libremente el LIA 120 para facilitar el retito del instrumento del LIA 120. Después de estas operaciones, el retiro de un instrumento laparoscópico adaptado 18 puede llevarse a cabo de manera segura en dos movimientos simples y en cualquier momento. El primer movimiento de extracción consiste de empujar la perilla 456 para desasegurar el mecanismo de aseguramiento 406. El siguiente movimiento de extracción consiste de girar el ISA (por ejemplo, 300) y el vástago (por ejemplo, 302) alrededor de la punta del vástago mediante la rotación alrededor de un eje perpendicular al eje del vástago, para retirar ambos del asiento 130 y posteriormente, si todavía se inserta, para extraer el vástago (por ejemplo, 302) del cuerpo del paciente P. Como es evidente de los procedimientos de inserción y retiro anteriores, el diseño del LIA 120 y el ISA (por ejemplo, 300), permite la inserción o extracción del instrumento incluso cuando el vástago (por ejemplo, 302) de un instrumento adaptado 18 todavía está insertado parcialmente en el cuerpo del paciente P a través del trocar 200 (véase la Figura 16). Como se apreciará, los movimientos requeridos para la extracción no son en la dirección de penetración con respecto al paciente P, puesto que consisten de un movimiento giratorio perpendicular al eje longitudinal del asiento 130 y un movimiento de extracción posterior. Además, en el caso de que un movimiento en una dirección giratoria dada pueda dañar al paciente, esta dirección puede cambiarse mediante la rotación del LIA 120 al pasar el LIA a mano a través de la articulación J6. Además, en el caso de falla de la energía, un ISA (por ejemplo, 300) junto con su vástago (por ejemplo, 302) puede liberarse y extraerse manualmente. Con respecto al LIA 120 como se describió anteriormente, se apreciará que una amplia variedad de instrumentos laparoscópicos estándar existentes pueden utilizarse en el sistema robótico 10 por medio de adaptadores simples del vástago del instrumento (ISA) (por ejemplo, 300). El LIA 120 en combinación con un ISA correspondiente, reemplaza la parte de la manija de un instrumento laparoscópico dado sin la pérdida de la capacidad de accionamiento o el suministro de energía. El LIA 120 se diseña genéricamente, es decir, independiente del tipo de instrumento que se va a acoplar al manipulador de robot 14. Por lo tanto, sólo el ISA (por ejemplo, 300), necesita diseñarse de manera específica de acuerdo con los requisitos del instrumento. Como se describió anteriormente, el LIA 120 es capaz de proporcionar, ínter alia, las siguientes funciones: accionamiento de "abertura/cierre" de las puntas de la herramienta del instrumento, por ejemplo, de las mordazas del instrumento, utilizando el mecanismo de accionamiento lineal 400; adaptar la longitud del desplazamiento de "abertura/cierre" requerada para cada tipo de instrumento; manejar los instrumentos no accionados como cuchillas a través de la acción del manipulador de robot 14. Además, el LIA 20 permite una efectividad en costo benéfica en la laparoscopia robótica, debido a varios factores. Primero, en oposición a los dispositivos de la técnica anterior que requieren varios accionadores por manipulador, debido a que el instrumento y el accionador asociados están montados como una sola unidad en un solo recinto, sólo un LIA 120 se necesita para cada manipulador 14. Esto permite ahorros ínter alia en los costos del accionador. Segundo, los costos del instrumento se reducen utilizando los vástagos (por ejemplo, 302) de los instrumentos laparoscópicos estándar y adaptadores correspondientes del vástago del instrumento (por ejemplo, 300) de construcción simple. Por lo tanto, el costo de un instrumento adaptado 18 para utilizarse con el LIA 120 es casi idéntico al costo de un instrumento laparoscópico manual estándar (es decir, incluyendo la manija). Tercero, los costos de mantenimiento del instrumento son esencialmente iguales a aquellos para los instrumentos laparoscópicos estándar debido a que el diseño del ISA (por ejemplo, 300), es robusto contra los ciclos de esterilización. Volviendo a la Figura 25, una modalidad alterna de un LIA 1 120 se describirá. Puesto que muchos aspectos y ventajas del LIA descrito en la presente en lo anterior ambiente se aplican al LIA 1 120, únicamente las características y diferencias principales se detallarán aquí posteriormente. El LIA 1 120 mostrado en la Figura 25 tiene un alojamiento semicilíndrico 1 154 que tiene una superficie de acceso superior sustancialmente plana 1401 para facilitar el montaje y retiro de un ISA al LIA 1 120. La superficie opuesta 1 155 del alojamiento 1 154 es semicilíndrica de conformidad con una envoltura cilindrica que es coaxial con el eje de rotación de J6. El diámetro de la superficie semicilíndrica 1 155 se elige de manera ergonómica para permitir el manejo por un operador humano, por ejemplo, en el intervalo de 50-135 mm, de manera preferida, de aproximadamente 90 mm, especialmente para acomodar el manipulador de robot 14 el en modo manual mencionado anteriormente. Puesto que el alojamiento semicilíndrico tiene una sección transversal sustancialmente más pequeña que el reborde de la interconexión 156, por medio del cual el LIA 1 120 se une a los FTAS 122, el alojamiento 1 154 incluye además salientes de refuerzo graduales 1 157. Las salientes de refuerzo tienen una forma gradual, es decir, que crece de manera uniforme empezando desde una superficie de acceso 1401 hasta el borde superior del reborde de la interconexión 156. Las salientes de refuerzo 1 157 se curvan además de conformidad con la envoltura cilindrica de la superficie semicilíndrica 1 155. Los rebordes de refuerzo 1 157 conectan la superficie de acceso 1401 al reborde de la interconexión 156 y por lo tanto, refuerzan e incrementa la rigidez de unión del alojamiento 1 154 al reborde de la interconexión 156. Por lo tanto, los rebordes de refuerzo 1 157 aseguran una transmisión más exacta de las fuerzas y torques de un ISA vía el LIA 1 120 a los FTAS 122. Puede notarse que los rebordes de refuerzo similares también se proporcionan en el LIA 120 de la Figura 14. La Figura 25 muestra además un mecanismo de acoplamiento alterno para montar un adaptador del vástago del instrumento al LIA 1 120 y por lo tanto, a la unidad efectora 30. En el LIA 1 120, como en el LIA 120, un asiento 1 130 se forma como un rebajo semicilíndrico alargado cóncavo en la superficie de acceso 1401 para proporcionar un autocentrado de un adaptador en el eje de rotación de J6. Además, el mecanismo de acoplamiento comprende una pluralidad de dispositivos magnéticos 1423, dos en el lado del carro de corredera 1430 y uno en el otro lado del asiento 1 130, el último está colocado en una elevación 1425 de la superficie de acceso 1401 . La elevación 1425 proporciona una restricción de retención adicional en la dirección axial para un adaptador montado y permite el posicionamiento autoajustado en la dirección axial del adaptador mediante pendientes hacia la superficie de acceso 1401 . Como se entenderá, los dispositivos magnéticos 1423, que pueden ser electroimanes, imanes permanentes o una combinación de ambos, aseguran la sujeción de un ISA diseñado de manera correspondiente por medio de una atracción magnética. Al evitar una unión a presión mecánica, se elimina el riesgo de daño a la cubierta de plástico estéril utilizada para envolver el manipulador 14 o al menos la unidad efectora 30. La Figura 25 ilustra una pluralidad de sensores de presencia inductivos 1431 , para identificar un instrumento montado a la unidad efectora 30 por medio de un patrón de un material identificable de manera inductiva proporcionado en un ISA. Cuatro sensores de presencia inductivos 1431 se colocan en una hilera y permiten distinguir e identificar 16 tipos de instrumentos cuando se utiliza un código binario (palabras de 4 bits) basándose en la presencia o ausencia de un material conductor en una hilera de ubicaciones correspondientes en el ISA orientado hacia los sensores de presencia inductivos 1431 . Además, los sensores de presencia inductivos 1431 también permiten la detección de la presencia si el código del patrón (palabra de 4 bits) que corresponde a un instrumento ausente se utiliza para este propósito, es decir, cuando ningún material conductor está orientado hacia algún sensor inductor 1431 . Un miembro de acoplamiento 1433 se muestra de manera separada en la Figura 25. El miembro de acoplamiento 1433 es parte del mecanismo de accionamiento que incluye el carro de corredera 1430 y que tiene superficies de captura biseladas 1434 que conducen a una ranura para acoplar el pasador de corredera 314 de un ISA. Las superficies biseladas 1434 facilitan la inserción del pasador de corredera 314 de un ISA. Como se apreciará, el miembro de acoplamiento 1433 es desprendible del carro de corredera 1430 y está hecho de un material compatible con la esterilización. El miembro de acoplamiento puede, por lo tanto, instalarse en el carro 1430 solo después de que una envoltura estéril cubre el LIA 1 120. Puesto que el intervalo de movimiento del carro 1430 es limitado, no puede ocurrir daño a la envoltura estéril.

La Figura 26 muestra una modalidad alterna de un ISA 1300 montado en el LIA 1 120 de la Figura 25. El ISA 1300 está diseñado para ser compatible con el diseño alterno del LIA 1 120 y se detallará aquí posteriormente. El ISA 1300 está dimensionado de manera que su base está confinada a la superficie de acceso 1401. La función del ISA 1300 es la misma que aquella del ISA 300 mostrado en la Figura 17, a saber, proporcionar una interconexión que permite el uso de vástagos 302 de instrumentos laparoscópicos manuales estándar en el manipulador de robot 14 sin la pérdida de ninguna funcionalidad disponible en las intervenciones manuales. La Figura 26 también muestra un botón de interruptor 408 proporcionado en el LIA 1 120 para cambiar el sistema al modo manual. El ISA 1300 se proporciona con una palanca 1301 para el fácil desmontaje manual, es decir, separación del ISA 1300 del LIA 1 120. El ISA 1300 también tiene un conector eléctrico 1308 para conectar los instrumentos energizados (por ejemplo, instrumentos de coagulación o corte) directamente a una fuente de energía eléctrica sin alambres que pasen a través del LIA 1 120. Como es evidente de la Figura 25 y 26, el diseño es tal que todos los componentes del LIA 1 120, incluyendo el alojamiento 1 1 54, el reborde 156, los rebordes de refuerzo 1 157, el montaje del sensor de los FTAS 122 y todas la partes del ISA 1300 montado, incluyendo la palanca 1301 , se localizan dentro de una envoltura cilindrica definida por la superficie semicilíndrica 1 155. Esto es para reducir el riesgo de colisión y daño cuando el LIA 1 120 es girado por J6.

La Figura 27 muestra un mecanismo de accionamiento alterno 1400 para comunicar el movimiento lineal al carro de corredera 1430, que difiere en diseño del mecanismo de la Figura 19. Comprende un motor sin escobillas en miniatura 141 1 conectado vía una caja de engranes 141 2 y un tornillo esférico o un engrane helicoidal 1420 a un miembro de tuerca 1422. El carro 1430 está fijo al miembro de tuerca 1422 vía la intermediación de un sensor de fuerza 1427. El sensor de fuerza 1427 permite medir las fuerzas ejercidas por el carro 1430 en el pasador de corredera 314 y viceversa. También se apreciará que en virtud del montaje del carro de corredera 1430 al lado del asiento longitudinal 1 130, el motor 141 1 y los engranes conectados pueden colocarse en paralelo al eje longitudinal del ISA 1300 y el vástago 302. Esto permite reducir al mínimo la longitud total del LIA 1 120, por lo que los requisitos de la dinámica del accionador para ciertas articulaciones (por ejemplo, J4), se reducen. Además, se apreciará que este mecanismo de accionamiento 1400 está optimizado con respecto a producir una vibración dañina. Otros aspectos y ventajas del mecanismo de accionamiento 1400 son similares a aquellas del mecanismo 400 descrito aquí anteriormente. La Figura 28 muestra el lado inferior de un ISA 1300 de la Figura 26 cuando se desprende del LIA 1 120. El ISA 1300 comprende un estuche alargado 1303 con un conector del vástago 1304 en su extremo frontal (véase la Figura 30). El conector del vástago 1304 permite la conexión retirable a un tipo de receptáculo 306 fijo al vástago 302 (mostrado sólo parcialmente) de un instrumento laparoscópico manual estándar siempre que se proporcione algún tipo de conexión desprendible. Por supuesto, el conector y el receptáculo pueden localizarse respectivamente en el vástago y el ISA. Similar al estuche 303, el estuche 1303 tiene una superficie semicilíndrica en su lado inferior para la cooperación con el asiento 1 130. Como se observa en la Figura 28, alas laterales 1305 sobresalen de cualquier lado del estuche 1303. Las alas laterales 1305 tienen una superficie inferior plana que está conjugada a la superficie de acceso 1401 en el LIA 1 120 (por ejemplo, también a la elevación 1425). Un espacio cortado 1307 se proporciona en un ala 1305 por encima del pasador de corredera 314 para proporcionar visibilidad de acceso, por ejemplo, para mover manualmente el pasador de corredera 314 cuando el ISA 1300 se acopla al LIA 120. La Figura 28 también muestra elementos ferromagnéticos planos 131 1 colocados en cada ala 1305 en cualquier lado del estuche 1303. Los elementos ferromagnéticos 131 1 forman medios de acoplamiento que cooperan respectivamente con un dispositivo magnético correspondiente 1423 en el LIA 120 como se muestra en la Figura 25. En la región 1313, un patrón identificable de manera inductiva se proporciona en el ISA 1300 para identificar, por medio de los sensores inductivos 1431 mostrados en la Figura 25, el instrumento que se utiliza. En esta modalidad mostrada en la Figura 25, una placa metálica completa corresponde a una palabra de 4 bits dada (por ejemplo, 1 1 1 1 o 0000), mientras que en otros adaptadores, pueden proporcionarse espacios, por ejemplo, perforando orificios en una o más de las posiciones orientadas a los sensores inductivos 1431 para proporcionar una palabra de bits diferentes para la identificación.

La Figura 29 muestra el ISA 1300 de la Figura 28 en una vista parcialmente desmantelada. Como se observa en la Figura 29, el ISA 1300 tiene un hueco interno que sirve como una guía cilindrica 1312 para un pistón 310 de un cierto instrumento laparoscópico manual. El pistón 310 se utiliza típicamente en el instrumento manual para comunicar el movimiento de la manija del instrumento al eje guiado en el vástago 302. Se apreciará que el pistón existente de un instrumento manual puede colocarse para deslizarse en la guía 1312. Como se observa en la Figura 28, un orificio pasante oblongo 1315 se proporciona en el estuche 1303, permitiendo que el pasador de corredera 314 unido transversalmente al pistón 310 sobresalga del estuche 1303 y sea desplazado hacia delante y hacia atrás en la dirección axial del estuche 1303 para operar el pistón 310. El pistón 310 mostrado en la Figura 29 es una parte original de un instrumento bipolar manual, utilizado para proporcionar energía eléctrica bipolar al instrumento y para asegurar/desasegurar el instrumento. La Figura 30 es para ilustrar que el mismo tipo de adaptador puede utilizarse para acomodar diferentes pistones de diferentes tipos de instrumentos laparoscópicos comercialmente disponibles para la intervención manual, por ejemplo, el pistón 1310 para un instrumento manual monopolar como se muestra en la Figura 30. Resulta que el adaptador tal como el ISA 1300 (o el ISA 300), permite utilizar las partes esenciales de cualquier instrumento manual relativamente barato comercialmente disponible en el manipulador de robot 14. La Figura 29 también muestra una de las dos espigas 1317 de la palanca 1301 y el eje 1319 en la cual gira. Al empujar hacia abajo la palanca 1301 , las espigas 1317 elevan la superficie inferior, y en particular los elementos ferromagnéticos 131 1 del ISA 1300 lejos de la superficie de acceso 1401 del ISA 1 120, de manera que el ISA 1300 puede retirarse manualmente en una dirección perpendicular al eje de rotación de J6, es decir, el eje del vástago del instrumento. Además de los aspectos descritos aquí anteriormente, el sistema robótico médico 10 presenta además las siguientes características: los manipuladores de robot 14, en virtud de su diseño, pueden retraerse de manera fácil y rápida para permitir al cirujano S tener acceso a la mesa de operaciones 12 o para permitir la instalación de un instrumento radiológico; los manipuladores de robot 14, en virtud de su diseño y utilizando la información de un sensor externo, pueden adaptarse fácilmente sin un incremento significativo del tiempo de la intervención a variaciones angulares de la mesa de operaciones 12 durante la intervención, para la orientación (anti-) Trendelenburg (-/+20-35 grados) o lateral del paciente; los manipuladores de robot 14, en virtud de su diseño y utilizando la información de un sensor externo, pueden manejar fácilmente variaciones de la posición del trocar debido a los cambios de la presión intraabdominal; el sistema robótico médico 10 permite tiempos de cambio del instrumento cortos con el fin de reducir al mínimo el tiempo de la intervención total, el diseño del LIA 120; 1 120 y el manipulador de robot 14 permiten tiempos de cambio del instrumento esencialmente tan cortos como en los procedimientos de laparoscopia manual (que varían de 6 a 9 segundos), cuando se utiliza con un endoscopio, el diseño del manipulador de robot 14 también permite la extracción y reinserción rápida del endoscopio, por ejemplo, para limpiar el sistema óptico; el sistema robótico médico 10 permite el ajuste rápido y simple del sistema, incluyendo la configuración de una pluralidad de manipuladores de robot 14 alrededor de la mesa de operaciones 12; el manipulador de robot 14 está diseñado de manera versátil con el fin de ser adecuado para una variedad de aplicaciones como cirugía mínimamente invasiva, ortopedia, biopsias, terapia percutánea, recolección de piel, diagnóstico con ultrasonido, etc. Aunque la presente solicitud de patente como se presenta en principio se relaciona con la invención como se define en las reivindicaciones anexas a la presente, la persona con experiencia en la técnica entenderá fácilmente que la presente solicitud de patente contiene apoyo para la definición de otras invenciones, que podrían, por ejemplo, reclamarse como la material objeto de las reivindicaciones enmendadas en la presente solicitud o como la materia objeto de las reivindicaciones en solicitudes divisionales y/o de continuación. Tal materia objeto puede definirse mediante cualquier característica o combinación de características descritas en la presente.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1 .- Un sistema robótico médico para realizar procedimientos médicos, que comprende un manipulador de robot (14) para manejar de manera asistida robóticamente un instrumento médico (18), en donde el manipulador de robot comprende una base (24); un brazo del manipulador (26) que tiene una parte esencialmente vertical (27) soportada por la base y una parte esencialmente horizontal (29) soportada por la parte vertical; una muñeca del manipulador (28) soportada por el brazo del manipulador; y una unidad efectora (30) soportada por la muñeca del manipulador y configurada para sostener un instrumento médico; en donde el brazo del manipulador (26) tiene una configuración cinemática PRP cilindrica, que tiene en secuencia, una primera articulación prismática (P) (J1 ) para variar la altura de la parte vertical proporcionando un grado de libertad traslacional a lo largo de un eje esencialmente vertical, una segunda articulación de revolución (R) (J2) para variar el ángulo rotacional entre la parte vertical y la parte horizontal, proporcionando un grado de libertad rotacional alrededor de un eje esencialmente vertical, y una tercera articulación prismática (P) (J3) para variar la distancia de la parte horizontal, proporcionando un grado de libertad traslacional a lo largo de un eje esencialmente horizontal.

2. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera articulación (P) (J1 ) tiene una guía lineal vertical (52) y un primer accionador lineal (50), de manera preferida un eje de un tornillo esférico lineal, para accionar la primera articulación (P) (J1 ).

3. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la tercera articulación (P) (J3) tiene una guía lineal horizontal (73) y un segundo accionador lineal (70), de manera preferida un eje de un tornillo esférico lineal, para accionar la tercera articulación (P).

4. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la parte horizontal comprende una cubierta alargada (74) que encierra una guía lineal horizontal y el segundo accionador lineal, la parte horizontal comprende una palanca (72) que se telescopiza con respecto a la cubierta en un lado y soporta la muñeca (28) en el otro lado.

5. - El sistema robótico médico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado además porque la segunda articulación (R) (J2) tiene un engrane, de manera preferida un engrane de accionamiento armónico (62), un motor (61 ), de manera preferida un servomotor sin escobillas, acoplado a la etapa de entrada del engrane, y un sensor de la posición absoluta (65) acoplado a la etapa de salida del engrane.

6. - El sistema robótico médico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado además porque la parte horizontal (29) del brazo tiene una desviación mínima de la conexión de 800 mm.

7. - El sistema robótico médico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado además porque la muñeca del manipulador (28) comprende una cuarta articulación de revolución (R) (J4) y una quinta articulación de revolución (R) (J5) para orientar la unidad efectora (30) .

8. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque los ejes de rotación de la cuarta articulación (R) (J4) y la segunda articulación (R) (J2) son paralelos.

9. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el eje de rotación de la cuarta articulación (R) (J4) es coplanar con el plano formado por el eje de rotación de la segunda articulación (R) (J2) y por el eje de traslación de la tercera articulación (P) (J3).

10. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque la cuarta articulación (R) (J4) proporciona un grado de libertad rotacional a lo largo de un eje esencialmente vertical para ajustar el ángulo de oblicuidad de la unidad efectora (30), y en donde la quinta articulación (R) (J5) proporciona un grado de libertad rotacional a lo largo de un eje esencialmente horizontal para ajustar el ángulo de paso de la unidad efectora (30). 1 1 . - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque la muñeca (28) comprende una placa de soporte (80) conectada a la parte horizontal (29) del brazo, y un miembro de soporte sustancialmente con forma de L (100), la cuarta articulación (R) (J4) articula la primera porción horizontal del miembro de soporte a la placa de soporte (80), y la quinta articulación (R) (J5) articula una segunda porción vertical del miembro de soporte (100) a un medio de conexión (32) para la unidad efectora (30), la muñeca está configurada de manera que los ejes de rotación de la cuarta articulación (R) y la quinta articulación (R) son perpendicular y tienen un punto de intersección. 12. - El sistema robótico médico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1 1 , caracterizado además porque la unidad efectora (30) comprende un accionador del instrumento laparoscópico (120; 1 120) que tiene medios para montar un instrumento quirúrgico ( 18) al manipulador y un mecanismo de accionamiento lineal (400; 1400) para accionar un instrumento quirúrgico montado. 13. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque la unidad efectora (30) comprende un armazón de soporte principal (140) para conectar la unidad efectora (30) a la muñeca (28) y una sexta articulación de revolución (R) (J6) que articula el accionador del instrumento laparoscópico (120; 1 120) al armazón de soporte principal, la sexta articulación (R) proporciona un grado de libertad rotacional a lo largo de un eje que coincide con el eje longitudinal de un instrumento quirúrgico montado al accionador del instrumento laparoscópico, para ajustar el ángulo de giro del instrumento quirúrgico montado. 14. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque los eje de rotación de la sexta articulación (R) (J6) y la quinta articulación (R) (J5) son perpendiculares. 15. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 13 ó 14, caracterizado además porque la muñeca del manipulador (28) está configurada de manera que los ejes de rotación de la sexta articulación (R) (J6) y la cuarta articulación (R) (J4) están desviadas por una distancia (05) que corresponde aproximadamente al diámetro del accionador del instrumento laparoscópico (120; 1 120), en su sección transversal más larga. 16. - El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 13 ó 14, caracterizado además porque la unidad efectora (30) comprende un montaje del sensor (122), que comprende un sensor de fuerza/torque de 6-DOF y un acelerometro lineal y angular coincidente de 6-DOF, el montaje conecta el accionador del instrumento laparoscópico a la sexta articulación (R) (J6). 17.- El sistema robótico médico de conformidad con la reivindicación 7 ó 13, caracterizado además porque la cuarta articulación (R) (J4), la quinta articulación (R) (J5) y/o la sexta articulación (R) (J6) tienen un motor (81 ; 101 ; 141 ), de manera preferida un servomotor sin escobillas, un engrane (83; 103; 143), que tiene una etapa de entrada acoplada al eje del motor, una transmisión de banda (84; 104; 144) acoplada a la etapa de salida del engrane, para transmitir el movimiento a la articulación asociada, y un sensor de la posición absoluta (88; 108; 148) acoplado a la transmisión de banda. 18.- El sistema robótico médico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la base (24) comprende un explorador láser de distancia (22) para detectar la intrusión del personal en el espacio de trabajo del manipulador. 19.- El sistema robótico médico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la primera articulación prismática (P) (J1 ) y la tercera articulación prismática (P) (J3), tienen respectivamente, un freno asociado y un sensor de la posición absoluta asociado.