RU2721485C1

RU2721485C1 - Combined manipulator of robotosurgical complex

Info

Publication number: RU2721485C1
Application number: RU2019141222A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Пушкарь; Рахим Суфьянович Нахушев
Original assignee: Ассистирующие Хирургические Технологии (Аст), Лтд
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-05-19
Also published as: WO2021145792A1

Abstract

FIELD: medicine.SUBSTANCE: invention refers to medicine, namely to combined manipulators of a robot-surgical complex. Manipulator includes mechanism equipped with drive elements, and portal mechanism. Mechanism equipped with drive elements is made in the form of a fixed support platform and a movable platform interconnected by means of three rods. Movable platform is configured to receive a surgical instrument thereon. Portal mechanism is made in the form of module of transverse displacement and module of longitudinal movement, each of which is equipped with drive unit. Module of transverse movement is installed on module of longitudinal movement with possibility of movement along it in longitudinal direction. Each of said portal mechanism modules is made in the form of support frame of four racks arranged in pairs perpendicular to each other. Rails in pairs are arranged parallel, at that one pair of racks is equipped with linear guides. Carriages with stationary support platform fixed on them are arranged on linear guides of first transverse displacement module. On linear guide rails of the first pair of the module of longitudinal displacement there are two carriages with a mounting pad fixed on each of them, which is fixed on the mounting plane of the inner surface of the racks from the second pair of rails of the module of transverse displacement.EFFECT: small dimensions and weight of the manipulator are achieved with sufficient rigidity of the structure, dynamic accuracy of positioning, sufficient mobility and freedom of the output link, on which the surgical instrument is installed.7 cl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

[1] Изобретение относится к машиностроению, в частности, к робототехнике, а именно, к пространственным манипуляционным механизмам роботов параллельной структуры. Такие механизмы могут быть применены в следующих областях: роботизация, телеоперация, минимальная инвазивная хирургия и другие. Более конкретно, изобретение относится к механизмам манипулятора, входящего в состав роботохирургического комплекса для проведения минимально инвазивных хирургических операций.[1] The invention relates to mechanical engineering, in particular to robotics, and in particular, to the spatial manipulation mechanisms of robots of parallel structure. Such mechanisms can be applied in the following areas: robotization, teleoperation, minimal invasive surgery, and others. More specifically, the invention relates to the mechanisms of the manipulator, which is part of a robotic surgical complex for minimally invasive surgical operations.

Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

[2] В последнее время робот-ассистированная хирургия приобрела широкое распространение в медицине развитых стран. Роботы-хирурги позволяют добиться высокой точности при хирургическом воздействии на ткани и органы во время операции и обеспечить малую инвазивность. Применение такой техники и технологий формирует текущие тренды развития современной хирургии.[2] Recently, robot-assisted surgery has become widespread in the medicine of developed countries. Robotic surgeons can achieve high accuracy during surgical treatment of tissues and organs during surgery and ensure low invasiveness. The use of such equipment and technologies forms the current development trends of modern surgery.

[3] Главным исполнительным механизмом в роботических системах является манипулятор. Манипулятор обеспечивает крепление и прецизионные перемещения хирургического инструмента в оперируемой области. Хирургический инструмент, перемещаемый манипулятором во время операции, реализует/исполняет необходимые хирургические манипуляции на тканях (коагуляция, разрезание, сшивание и так далее).Цена ошибки, неточностей и погрешностей при работе инструмента очень велика. Потребность во все более совершенных манипуляторах для хирургии формирует актуальные научные и технические задачи. Совершенствование манипуляторов обусловлено необходимостью дистанционного управления инструментом хирургом, расположенного удаленно от операционного стола, требованиями повышения точности, надежности и минимальной травмы при воздействии инструмента на операционное поле, а также требованиями минимального воздействия/травмы на ткани, расположенные рядом с операционным полем.[3] The main actuator in robotic systems is the manipulator. The manipulator provides fastening and precise movements of the surgical instrument in the operated area. A surgical instrument, moved by the manipulator during the operation, implements / performs the necessary surgical manipulations on the tissues (coagulation, cutting, stapling, etc.). The price of errors, inaccuracies and errors during the operation of the instrument is very high. The need for more and more advanced manipulators for surgery forms urgent scientific and technical problems. Improvement of the manipulators is due to the need for remote control of the instrument by a surgeon located remotely from the operating table, the requirements for increasing accuracy, reliability and minimal injury when the instrument acts on the surgical field, as well as the requirements for minimal exposure / injury to tissues located next to the surgical field.

[4] При робот-ассистированных операциях используется «контроллер», который считывает механические движения рук хирурга-оператора и преобразует их в цифровые сигналы, которые, в свою очередь, пересчитываются в системе управления и используются для управления движениями манипулятора и инструмента.[4] For robot-assisted operations, a “controller” is used, which reads the mechanical movements of the surgeon-operator’s hands and converts them into digital signals, which, in turn, are converted into the control system and used to control the movements of the manipulator and tool.

[5] Традиционные манипуляторы хирургического робота используют механику последовательной структуры, основным преимуществом которых является большая площадь охвата выходным звеномманипулятора. Однако размеры таких механизмов велики, а показатели жесткости, точности и КПД ограничены, что накладывает значительные принципиальные ограничения при их применении. Наиболее значимые из них:[5] Traditional manipulators of a surgical robot use sequential structure mechanics, the main advantage of which is the large area of coverage of the output link of the manipulator. However, the dimensions of such mechanisms are large, and the indicators of rigidity, accuracy and efficiency are limited, which imposes significant fundamental limitations in their application. The most significant of them:

a. ограничения по возможной динамической точности и точности повторений при перемещениях манипулятора;a. restrictions on possible dynamic accuracy and accuracy of repetitions during manipulator movements;

b. значительный размер манипулятора при обеспечении требуемого, сравнительно небольшого, рабочего перемещения выходного звена манипулятора;b. a significant size of the manipulator while providing the required, relatively small, working movement of the output link of the manipulator;

c. задействование значительного пространства для обеспечения траекторий перемещения отдельных звеньев манипулятора (система громоздкая и занимает очень много пространства, в том числе и над операционной зоной, что недопустимо, так как во время хирургического вмешательства всегда необходимо обеспечить достаточный подступ к пациенту);c. the use of significant space to ensure the trajectories of movement of individual parts of the manipulator (the system is bulky and takes up a lot of space, including over the operating area, which is unacceptable, since during surgical intervention it is always necessary to provide sufficient access to the patient);

d. незначительная полезная масса, переносимая манипулятором в сравнении с используемой мощностью двигателей манипулятора;d. insignificant net weight carried by the manipulator in comparison with the used power of the manipulator engines;

e. незначительная и ограниченная жесткость конструкции манипулятора из-за значительной консольности последовательной структуры;e. insignificant and limited rigidity of the manipulator design due to the considerable cantileverness of the sequential structure;

f. сложная механика для обеспечения требуемых движений (два поворота) в точку «0» (точка вхождения хирургического инструмента в тело пациента);f. complex mechanics to ensure the required movements (two turns) to the point "0" (the point of entry of the surgical instrument into the patient's body);

g. в силу ограничений движений, связанных с архитектурой манипулятора, и взаимного расположения его звеньев, вызванных сложностью модели и точностью расчета положения выходного звена манипулятора, обеспечение удержания инструмента в точке «0» в приемлемом поле допуска не всегда реализуемо.g. due to the limitations of the movements associated with the architecture of the manipulator and the relative position of its links, caused by the complexity of the model and the accuracy of calculating the position of the output link of the manipulator, ensuring that the tool is held at point “0” in an acceptable tolerance field is not always possible.

[6] В силу вышеназванных и иных причин при использовании манипуляторов последовательной структуры возникают ограничения по возможным траекториям движения хирургического инструмента и ограничения по достоверному и точному управлению хирургическим инструментом.[6] Due to the above and other reasons, when using manipulators of a consistent structure, restrictions arise on the possible trajectories of the surgical instrument and restrictions on the reliable and accurate control of the surgical instrument.

[7] Конструкции манипуляторов с последовательной архитектурой раскрыты, в частности, в US 6659939 B2, US 6102850 A, EP 1984150 B1, US 10293498 B2, WO 2018059039 A1, US 10299883 B2.[7] Designs of manipulators with a sequential architecture are disclosed, in particular, in US 6659939 B2, US 6102850 A, EP 1984150 B1, US 10293498 B2, WO 2018059039 A1, US 10299883 B2.

[8] В процессе исследований был выявлен и предложен новый подход к механике манипулятора, а именно, использование манипуляторов на параллельных структурах. В отличие от традиционных манипуляторов, структуры с параллельной кинематикой содержат замкнутые кинематические цепи и воспринимают нагрузку как пространственные фермы, то есть, звенья этих механизмов работают на растяжение и сжатие, что обеспечивает жесткость всей конструкции и положительно сказывается на многие характеристики, и, прежде всего, на точность позиционирования исполнительного звена. Использование манипулятора на параллельных структурах в сравнении с существующими манипуляторами последовательной структуры позволяет:[8] In the process of research, a new approach to the mechanics of the manipulator was identified and proposed, namely, the use of manipulators on parallel structures. Unlike traditional manipulators, structures with parallel kinematics contain closed kinematic chains and perceive the load as spatial trusses, that is, the links of these mechanisms work in tension and compression, which ensures rigidity of the entire structure and positively affects many characteristics, and, above all, on the accuracy of positioning of the executive link. The use of a manipulator on parallel structures in comparison with existing manipulators of a serial structure allows you to:

a. обеспечить до десяти раз более высокую точность, что дает возможность манипулировать хирургическим инструментом с точностью, превосходящей размеры любых человеческих органов, и, в специально разработанных случаях, обеспечить точность в микронном диапазоне;a. provide up to ten times higher accuracy, which makes it possible to manipulate a surgical instrument with accuracy exceeding the size of any human organs, and, in specially designed cases, to ensure accuracy in the micron range;

b. повысить жесткость конструкции более чем в пять раз;b. increase rigidity by more than five times;

c. обеспечить большую полезную нагрузку на исполнительном звене манипулятора по сравнению с аналогичными по мощности конструкциями на последовательной структуре; c. to provide a large payload on the executive link of the manipulator in comparison with similar power designs on the serial structure;

d. обеспечить уменьшение размера манипулятора в несколько раз;d. provide a reduction in the size of the manipulator several times;

e. сократить вес манипулятора в несколько раз.e. reduce the weight of the manipulator several times.

[9] Конструкции манипуляторов с параллельной структурой раскрыты, в частности, в CN 207630032 U, US 20140088613 A1, US 9554865 B2, US 20120245596 A1.[9] Designs of manipulators with parallel structure are disclosed, in particular, in CN 207630032 U, US 20140088613 A1, US 9554865 B2, US 20120245596 A1.

[10] Также известны решения, которые совмещают структурные принципы последовательной и параллельной кинематики (см., например, EP 2740435 B1, DE 102017111296 B3, US 10299883 B2, CN 108015750 A). Из недостатков такой схемы стоит отметить все типичные проблемы, присущие механизмам последовательной структуры, которые перечислялись выше.[10] Also known are solutions that combine the structural principles of serial and parallel kinematics (see, for example, EP 2740435 B1, DE 102017111296 B3, US 10299883 B2, CN 108015750 A). Of the shortcomings of such a scheme, it is worth noting all the typical problems inherent in the mechanisms of the sequential structure, which are listed above.

[11] Манипуляторы на основе параллельной кинематики, при всех своих преимуществах, в медицине используются редко, а те, которые используются, имеют ограничения в применении. Такая ситуация объясняется несколькими факторами:[11] Manipulators based on parallel kinematics, with all their advantages, are rarely used in medicine, and those that are used have limitations in application. This situation is due to several factors:

a. значительное ограничение перемещений выходного звена манипулятора, при этом попытка увеличения перемещений выходного звена приводит к значительному (до неприемлемого) увеличению размера манипулятора;a. a significant limitation of the movements of the output link of the manipulator, while an attempt to increase the movements of the output link leads to a significant (up to unacceptable) increase in the size of the manipulator;

b. ограничения или невозможность обеспечить требуемые движения (два поворота) в точке «0»;b. restrictions or inability to provide the required movements (two turns) at the point "0";

c. ограничения при корректном расположении манипулятора относительно точки «0», при этом корректность определятся положением/отдалением манипулятора относительно точки «0»,определяемым требованиями хирургического вмешательства.c. restrictions on the correct location of the manipulator relative to the point "0", while the correctness is determined by the position / distance of the manipulator relative to the point "0", determined by the requirements of surgical intervention.

[12] В связи с этим, конструкции на основе параллельной структуры снижают функциональность и эффективность манипуляторов при их использовании в рабочей зоне.[12] In this regard, structures based on a parallel structure reduce the functionality and efficiency of manipulators when used in the work area.

[13] Существующие разработки манипуляторов не позволяют в одной конструкции добиться многозадачности, функциональности и эффективности использования манипулятора, а именно, реализовать в одной конструкции механизм с малыми габаритами, с высокой точностью и жесткостью выходного звена манипулятора, при этом имея достаточную рабочую область. Такая конструкция манипулятора необходима для того, чтобы с высокой динамичностью и точностью реализовать перемещение хирургического инструмента в тело пациента во время хирургической операции при ограничении, что инструмент может иметь только два поворота в расчетной точке вхождения (точке «0»). Таким образом, существует потребность в разработке мехатронного устройства, объединяющего в себе главные преимущества последовательной и параллельной кинематики механизмов, при этом нивелируя имеющиеся недостатки каждого.[13] Existing developments of manipulators do not allow multitasking, functionality and efficiency of using a manipulator in one design, namely, to implement a mechanism with small dimensions, high accuracy and rigidity of the manipulator output link in one design, while having a sufficient working area. This design of the manipulator is necessary in order to realize with great dynamism and accuracy the movement of the surgical instrument into the patient’s body during the surgical operation, with the restriction that the instrument can have only two turns at the calculated entry point (point “0”). Thus, there is a need to develop a mechatronic device that combines the main advantages of sequential and parallel kinematics of mechanisms, while leveling the existing shortcomings of each.

[14] Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является раскрытый в документе RU 172752 U1 портальный манипулятор параллельной структуры (фигура 1).Механизм включает основание, размещенные на нем линейные приводы с вертикальными осями, сопряженные с подвижной платформой, поперечную каретку, сопряженную с подвижной платформой посредством привода поступательного перемещения, продольную каретку, сопряженную с поперечной кареткой также посредством привода поступательного перемещения, выходное звено, сопряженное с приводом вращательного перемещения. Механизм содержит портал, включающий закрепленные на основании вертикальные стойки, связанные продольными и поперечными горизонтальными балками, два линейных двигателя с вертикальными осями, первый из которых сопряжен с подвижной платформой посредством рамы, выполненной с возможностью вертикального перемещения относительно стоек, вращательных кинематических пар, а второй линейный двигатель с вертикальной осью сопряжен с подвижной платформой также посредством рамы, выполненной с возможностью вертикального перемещения по стойкам, и дополнительного звена, связанного с рамой и подвижной платформой вращательными кинематическими парами, при этом выходное звено связано с подвижной платформой кинематической цепью, состоящей из выполненных в виде последовательно вложенных рам поперечной и продольной кареток, имеющих возможность поступательного перемещения относительно перпендикулярных осей, причем привод вращательного перемещения выходного звена размещен на продольной каретке.[14] The closest analogue to the claimed invention is the portal manipulator of parallel structure disclosed in RU 172752 U1 (figure 1). The mechanism includes a base, linear actuators with vertical axes mounted on it, coupled to a movable platform, a transverse carriage paired with a movable platform by means of a translational displacement drive, a longitudinal carriage mated to a transverse carriage also by a translational displacement drive, an output link associated with a rotational displacement drive. The mechanism comprises a portal, including vertical struts fixed on the base, connected by longitudinal and transverse horizontal beams, two linear motors with vertical axes, the first of which is coupled to a movable platform by means of a frame made with the possibility of vertical movement relative to the struts, rotational kinematic pairs, and the second linear the engine with a vertical axis is also coupled to the movable platform also by means of a frame made with the possibility of vertical movement along the uprights, and an additional link associated with the frame and the movable platform by rotational kinematic pairs, while the output link is connected to the movable platform by a kinematic chain, consisting of sequentially nested frames of the transverse and longitudinal carriages having the possibility of translational movement relative to the perpendicular axes, and the drive of the rotational movement of the output link is placed on the longitudinal carriage.

[15] К недостаткам вышеописанного манипулятора следует отнести малое соотношение линейных перемещений к габаритам конструкции из-за архитектуры расположения и количества рам в механизме. Также, для обеспечения достаточного угла поворота большей горизонтальной рамы по одной из вращательных осей, существует необходимость увеличения габаритов (высоты) основания манипулятора. Стоит отметить сложность математического описания кинематики перемещения вокруг точки «0» и обеспечения достаточных углов поворота вокруг нее из-за возрастающих габаритов рамных конструкций.[15] The disadvantages of the above manipulator include a small ratio of linear displacements to the dimensions of the structure due to the architecture of the location and number of frames in the mechanism. Also, to ensure a sufficient angle of rotation of a larger horizontal frame along one of the rotational axes, there is a need to increase the dimensions (height) of the base of the manipulator. It is worth noting the complexity of the mathematical description of the kinematics of movement around the "0" point and ensuring sufficient rotation angles around it due to the increasing dimensions of the frame structures.

[16] Именно решению перечисленных проблем посвящена данная заявка.[16] This application is dedicated to the solution of these problems.

Суть изобретенияThe essence of the invention

[17] Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности и функциональности роботохирургического комплекса путем разработки принципиально новой схемы решения сформулированных технических проблем.[17] The technical problem to which the present invention is directed is to increase the efficiency and functionality of the robotic surgical complex by developing a fundamentally new scheme for solving formulated technical problems.

[18] Техническим результатом настоящего изобретения является разработка манипулятора, который сочетает в себе малые габариты и вес при достаточной жесткости конструкции и динамической точности позиционирования, при этом обладающего достаточной подвижностью и свободой выходного звена, на котором устанавливается хирургический инструмент.[18] The technical result of the present invention is the development of a manipulator that combines small dimensions and weight with sufficient structural rigidity and dynamic positioning accuracy, while having sufficient mobility and freedom of the output link on which the surgical instrument is mounted.

[19] Поставленные задачи и технические результаты достигаются благодаря разработке двухкомпонентного пространственного механизма. Он представляет собой усовершенствованную конструкцию трипода в сочетании с портальным механизмом его линейных перемещений над рабочей областью. Такая гибридная кинематическая схема позволяет создать манипулятор, обладающий необходимой подвижностью и углом поворота выходного звена, на котором в итоге устанавливается хирургический инструмент. [19] The tasks and technical results are achieved through the development of a two-component spatial mechanism. It represents an improved tripod design in combination with a portal mechanism of its linear movements over the work area. Such a hybrid kinematic scheme allows you to create a manipulator with the necessary mobility and the angle of rotation of the output link, on which the surgical instrument is finally installed.

[20] Более подробно, технический результат изобретения достигается за счет того, что комбинированный манипулятор роботохирургического комплекса включает механизм 100, снабженный приводными элементами 200 и выполненный в виде соединенных между собой посредством трех штанг 130 неподвижной опорной платформы 110 и подвижной платформы 120, подвижная платформа 120 механизма 100 выполнена с возможностью размещения на ней хирургического инструмента 500; и портальный механизм 300, выполненный в виде модуля поперечного перемещения и модуля продольного перемещения, каждый из которых снабжен блоком приводов 400; при этом приводные элементы 200 и блоки приводов 400 выполнены с возможностью передачи и/или получения данных системы управления роботохирургическим комплексом. При этом механизм 100 установлен на модуле поперечного перемещения с возможностью перемещения по нему в поперечном направлении, а модуль поперечного перемещения установлен на модуле продольного перемещения с возможностью перемещения по нему в продольном направлении. Причем каждая штанга 130 механизма 100 одним своим концом 132 через подшипниковый узел 290 соединена с соответствующим приводным элементом 200, закрепленным на неподвижной опорной платформе 110, а другим концом 131 через шарнир Гука 133 - с подвижной платформой 120. Причем каждый из указанных модулей портального механизма 300 выполнен в виде опорной рамы из четырех реек, расположенных попарно перпендикулярно друг другу, и рейки в парах расположены параллельно, при этом одна пара реек снабжена линейными направляющими. Причем на линейных направляющих реек первой пары 310 модуля поперечного перемещения размещены каретки 312 с закрепленной на них неподвижной опорной платформой 110 для поперечного перемещения механизма 100, и на линейных направляющих реек первой пары 330 модуля продольного перемещения размещены по две каретки 332 с закрепленной на каждой из них установочной площадкой 322, которая закреплена на установочной плоскости внутренней поверхности реек 320 из второй пары реек модуля поперечного перемещения, для продольного перемещения модуля поперечного перемещения с механизмом 100.[20] In more detail, the technical result of the invention is achieved due to the fact that the combined manipulator of the robotic surgical complex includes a mechanism 100 provided with drive elements 200 and made in the form of interconnected by three rods 130 of a stationary support platform 110 and a movable platform 120, a movable platform 120 the mechanism 100 is configured to place a surgical instrument 500 on it; and a portal mechanism 300, made in the form of a transverse movement module and a longitudinal movement module, each of which is equipped with a drive unit 400; while the drive elements 200 and the drive units 400 are configured to transmit and / or receive data from the control system of the robotic surgical complex. In this case, the mechanism 100 is mounted on the lateral movement module with the possibility of moving along it in the transverse direction, and the lateral movement module is mounted on the longitudinal movement module with the possibility of moving along it in the longitudinal direction. Moreover, each rod 130 of the mechanism 100 through one end 132 through a bearing assembly 290 is connected to a corresponding drive element 200 mounted on a fixed support platform 110, and the other end 131 through a Hook hinge 133 - with a movable platform 120. Moreover, each of these modules of the portal mechanism 300 made in the form of a support frame of four rails arranged in pairs perpendicular to each other, and the rails in pairs are parallel, while one pair of rails is equipped with linear guides. Moreover, on the linear guide rails of the first pair 310 of the lateral displacement module, carriages 312 are placed with a fixed support platform 110 fixed thereon for lateral movement of the mechanism 100, and two carriages 332 are mounted on the linear guide rails of the first pair 330 of the longitudinal displacement module, fixed on each of them installation pad 322, which is fixed on the installation plane of the inner surface of the rails 320 from the second pair of rails of the transverse movement module, for longitudinal movement of the transverse movement module with the mechanism 100.

[21] В некоторых вариантах изобретения блок приводов 400 каждого модуля портального механизма 300 выполнен на основе синхронного сервопривода 410 совместно с прецизионным планетарным редуктором 411.[21] In some embodiments of the invention, the drive unit 400 of each module of the portal mechanism 300 is based on a synchronous servo drive 410 in conjunction with a precision planetary gear 411.

[22] В некоторых вариантах изобретения манипулятор дополнительно включает приводной элемент 600, размещенный на подвижной платформе 120, для перемещения хирургического инструмента вдоль одной линейной оси.[22] In some embodiments of the invention, the manipulator further includes a drive member 600 located on the movable platform 120 to move the surgical instrument along one linear axis.

[23] В некоторых вариантах изобретения в качестве приводного элемента 200 механизма 100 или приводного элемента 600 для перемещения хирургического инструмента использован сервопривод совместно с безлюфтовым прецизионным редуктором волнового типа или с планетарным редуктором с угловым люфтом менее 6'.[23] In some embodiments of the invention, as a drive element 200 of a mechanism 100 or a drive element 600 for moving a surgical instrument, a servo drive is used in conjunction with a backlash-free precision wave-type gearbox or with a planetary gearbox with an angular play of less than 6 '.

[24] В некоторых вариантах изобретения на неподвижной опорной платформе 110 механизма 100 выполнены диаметрально противоположно расположенные крепежные элементы 112 для монтажа кареток 312 модуля поперечного перемещения.[24] In some embodiments of the invention, on a fixed support platform 110 of the mechanism 100, diametrically opposed fasteners 112 are provided for mounting the carriages 312 of the lateral movement module.

[25] В некоторых вариантах изобретения неподвижная опорная платформа 110 механизма 100 снабжена площадками 111, ориентированными в сторону подвижной платформы 120 механизма 100 и расположенными относительно друг друга под углом в 120°.[25] In some embodiments of the invention, the fixed support platform 110 of the mechanism 100 is provided with platforms 111 oriented toward the movable platform 120 of the mechanism 100 and positioned relative to each other at an angle of 120 °.

[26] В некоторых вариантах изобретения приводной элемент 200 размещен на площадке 111 и выполнен в виде сервопривода 210 с шарико-винтовой передачей.[26] In some embodiments of the invention, the drive element 200 is located on the site 111 and is made in the form of a servo drive 210 with a ball screw transmission.

[27] Предложенная схема разрешает поставленные проблемы и обеспечивает достаточную по объему область (рабочее пространство) работы манипулятора.[27] The proposed scheme solves the problems posed and provides a sufficiently large area (working space) of the manipulator.

[28] Использование предложенной схемы позволит создавать максимально выверенные под хирургическую технологию высокоточные, компактные, жесткие, высокодинамичные и при этом недорогие манипуляторы под каждый (необходимый) вид хирургического вмешательства (абдоминальная хирургия, вертебральная хирургия и др.).[28] Using the proposed scheme will make it possible to create highly precise, compact, rigid, highly dynamic and, at the same time, inexpensive manipulators for every (necessary) type of surgical intervention (abdominal surgery, vertebral surgery, etc.), which are highly calibrated for surgical technology.

[29] Объекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны специалистам после рассмотрения следующего подробного описания и чертежей.[29] The objects and advantages of the present invention will become more apparent to those skilled in the art upon consideration of the following detailed description and drawings.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

[30] Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.[30] The accompanying drawings, which are incorporated in and form part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the above general description of the invention and the following detailed description of embodiments, serve to explain the principles of the present invention.

[31] Фигура 1 изображает наиболее близкий аналог к заявляемому изобретению - портальный манипулятор параллельной структуры.[31] Figure 1 depicts the closest analogue to the claimed invention is a portal manipulator of parallel structure.

[32] Фигура 2 иллюстрирует кинематическую схему трипода.[32] Figure 2 illustrates the kinematic diagram of a tripod.

[33] Фигура 3 изображает общий вид модели трипода согласно настоящему изобретению.[33] Figure 3 depicts a General view of the model tripod according to the present invention.

[34] Фигура 4 иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления приводного элемента трипода.[34] Figure 4 illustrates a preferred embodiment of a tripod drive element.

[35] Фигура 5 иллюстрирует общий вид конструкции манипулятора.[35] Figure 5 illustrates a General view of the design of the manipulator.

[36] Фигура 6 изображает общий вид модели трипода с установленным на его подвижной платформе хирургическим инструментом.[36] Figure 6 depicts a general view of a tripod model with a surgical instrument mounted on its movable platform.

[37] Фигура 7 иллюстрирует общий вид конструкции манипулятора с установленным на его подвижной платформе хирургическим инструментом.[37] Figure 7 illustrates a general view of the design of the manipulator with a surgical instrument mounted on its movable platform.

Термины и определенияTerms and Definitions

[38] Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.[38] For a better understanding of the present invention, the following are some of the terms used in the present description of the invention. Unless defined separately, technical and scientific terms in this application have standard meanings generally accepted in the scientific and technical literature.

[39] В настоящем описании и в формуле изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е., в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».[39] In the present description and in the claims, the terms “includes”, “including” and “includes”, “having”, “equipped”, “comprising” and their other grammatical forms are not intended to be interpreted in an exceptional sense, but on the contrary, they are used in a non-exclusive sense (ie, in the sense of “having in its composition”). As an exhaustive list, only expressions of the “consisting of” type should be considered.

[40] В настоящих материалах заявки под терминами «роботизированный технологический комплекс», «роботизированная система», «роботизированный комплекс», «роботохирургический комплекс», «роботохирургическая система» понимают сложные системы или комплексы в хирургии с использованием робота-ассистента во время операции. «Робот-ассистивные системы» или «робот-ассистированные хирургические системы» - это роботизированные системы, предназначенные для проведения медицинских операций. Это не автономные устройства, робот-ассистивными системами при проведении операции управляют хирурги.[40] In the present application materials, the terms “robotic technological complex”, “robotic system”, “robotic complex”, “robotic surgical complex”, “robotic surgical system” mean complex systems or complexes in surgery using a robot assistant during an operation. “Robot-assisted systems” or “robot-assisted surgical systems” are robotic systems designed for medical operations. These are not autonomous devices; surgeon-assisted robotic systems assist in the operation.

[41] В настоящих материалах заявки под термином «мехатронный комплекс» или «мехатронная система» понимают комплекс или систему с компьютерным управлением движения, которые базируются на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.[41] In the present application materials, the term “mechatronic complex” or “mechatronic system” is understood to mean a complex or system with computer-controlled movement, which are based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science, and computer-controlled movement of machines and assemblies.

[42] В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача-хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами.[42] In the present application, the term "operator" means the surgeon performing the operation. The signs "operator" and "surgeon" in the present description of the invention are synonymous.

[43] В настоящих материалах заявки под термином «манипулятор» понимают мехатронный механизм, предназначенный для закрепления и перемещения (изменения положения) хирургического инструмента во время выполнения хирургической операции в соответствии с заданными командами от системы управления роботохирургического комплекса. [43] In the present application materials, the term “manipulator” is understood to mean a mechatronic mechanism designed to fix and move (reposition) a surgical instrument during a surgical operation in accordance with specified commands from a control system of a robotic surgical complex.

[44] В настоящих материалах заявки под термином «портальный механизм» понимают механизм роботизированной системы, состоящий из двух опорных (портальных) рам, имеющих возможность по команде от системы управления роботохирургического комплекса перемещаться одна относительно другой по осям, расположенным под углом 90° друг относительно друга.[44] In the present application materials, the term "portal mechanism" is understood to mean the mechanism of a robotic system consisting of two support (portal) frames, which can, on command from the control system of the robotic surgery complex, move one relative to the other along axes located at an angle of 90 ° relative to friend.

[45] В настоящих материалах заявки под терминами «модуль продольного перемещения» и «модуль поперечного перемещения» понимают механизмы, обеспечивающие взаимно-перпендикулярное движение того или иного элемента относительно друг друга.[45] In the present application materials, the terms “longitudinal displacement module” and “lateral displacement module” mean mechanisms that ensure mutually perpendicular movement of an element relative to each other.

[46] Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов).[46] The term “connected” means functionally connected, any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.

[47] Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.д. используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты.[47] In addition, the terms “first”, “second”, “third”, etc. they are used simply as conditional markers, without imposing any numerical or other restrictions on the enumerated objects.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[48] Описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенное ниже, приводится исключительно в качестве примера и предназначено для иллюстративных целей и не предназначено для ограничения объема раскрываемого изобретения.[48] The description of exemplary embodiments of the present invention below is provided by way of example only and is for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the invention disclosed.

[49] Информацией для проектирования манипулятора являются исследования, посвященные оптимизации геометрических, кинематических и силовых параметров манипуляторов с механизмами параллельной структуры, и разработка методик их расчета и проектирования, а также задача обоснованного выбора конструктивных параметров манипулятора на этапе проектирования и режимов движений при выполнении различных технологических операций. Разрабатываемый механизм должен обладать высокой точностью и жесткостью выходного звена и при этом иметь рабочую область с достаточной площадью охвата. Возможным решением представляется создание механизма на основе параллельной кинематики, возможности которого расширены/дополнены другим механизмом для обеспечения достаточной рабочей области.[49] Information for the design of the manipulator is research devoted to optimizing the geometric, kinematic and power parameters of manipulators with mechanisms of parallel structure, and the development of methods for calculating and designing them, as well as the task of justifying the design parameters of the manipulator at the design stage and motion modes when performing various technological operations. The developed mechanism should have high accuracy and rigidity of the output link and at the same time have a working area with a sufficient coverage area. A possible solution is to create a mechanism based on parallel kinematics, the capabilities of which are expanded / supplemented by another mechanism to ensure a sufficient working area.

[50] Механизмами параллельной кинематики называются устройства, выходное звено которых присоединяется к основанию несколькими независимыми кинематическими цепями. Они отличаются высокой жесткостью, позволяют добиваться высокой точности перемещений, снижать вибрации, а также оптимально распределять усилия. В качестве параллельного механизма могут быть использованы разные решения.[50] Parallel kinematics mechanisms are devices whose output link is connected to the base by several independent kinematic chains. They are characterized by high rigidity, they allow to achieve high accuracy of movements, reduce vibrations, as well as optimally distribute forces. As a parallel mechanism, different solutions can be used.

[51] В предпочтительном варианте осуществления изобретения манипулятор представляет собой мехатронное устройство, в котором используется механизм, являющийся условно параллельным механизмом и схожий по схеме кинематики с механизмом трипода (механизм типа «трипод»), в сочетании с механизмом его линейных перемещений над рабочей областью. Для дальнейшего удобства в описании для обозначения механизма, по кинематике схожего с механизмом трипода, используется термин «трипод». Кинематическая схема такого трипода показана на фигуре 2. Она выполнена на основе пространственного механизма и обеспечивает механизм двумя вращательными степенями свободы (вокруг осей x и y) и одной поступательной степенью свободы (вдоль оси z), что является основным требованием для роботизированной хирургии.[51] In a preferred embodiment of the invention, the manipulator is a mechatronic device that uses a mechanism that is a conditionally parallel mechanism and similar in kinematics to the tripod mechanism (tripod type mechanism), in combination with its linear movement mechanism over the work area. For further convenience, the term “tripod” is used in the description to refer to a mechanism similar in kinematics to the mechanism of the tripod. The kinematic diagram of such a tripod is shown in Figure 2. It is based on a spatial mechanism and provides a mechanism with two rotational degrees of freedom (around the x and y axes) and one translational degree of freedom (along the z axis), which is the main requirement for robotic surgery.

[52] В общем случае предлагаемый согласно настоящему изобретению комбинированный манипулятор включает механизм 100, снабженный приводными элементами 200 (механизм типа «трипод» или трипод согласно принятой выше терминологии) и портальный механизм 300 для обеспечения перемещения механизма 100 вдоль двух линейных осей, снабженный блоками приводов 400. При этом приводные элементы 200 и блоки приводов 400 выполнены с возможностью передачи данных системе управления роботохирургическим комплексом при перемещении элементов или получения управляющих сигналов от системы управления роботохирургическим комплексом для перемещения выходного звена манипулятора в требуемую позицию согласно расчетным данным.[52] In general, the combination arm according to the present invention includes a mechanism 100 provided with drive elements 200 (a tripod or tripod according to the above terminology) and a portal mechanism 300 for providing movement of the mechanism 100 along two linear axes equipped with drive units 400. In this case, the drive elements 200 and the drive units 400 are arranged to transmit data to the control system of the robotic surgical complex when moving the elements or obtaining control ignalov from robotohirurgicheskim complex control system to move the output member of the manipulator in the desired position according to the calculated data.

[53] На фигуре 3 изображен общий вид части заявляемого манипулятора (механизма 100) - общий вид трипода 100. Трипод 100 состоит из двух платформ: неподвижной опорной платформы (основания) 110 и подвижной платформы 120, которые соединены между собой посредством трех штанг 130 постоянной длины.[53] Figure 3 shows a General view of a part of the inventive manipulator (mechanism 100) - a general view of a tripod 100. Tripod 100 consists of two platforms: a fixed support platform (base) 110 and a movable platform 120, which are interconnected by three constant rods 130 lengths.

[54] Три штанги 130 соединены одними концами 132 через подшипниковой узел с соответствующими приводными элементами 200, а другими концами 131 штанги 130 соединены через шарниры 133 с подвижной платформой 120. Штанги 130 представляют собой универсальные валы, а шарниры 133 в предпочтительном варианте изобретения являются карданными шарнирами (шарнирами Гука), которые обеспечивают две степени свободы в точке крепления (две вращательные степени свободы).[54] Three rods 130 are connected at one end 132 through a bearing assembly to respective drive elements 200, and the other ends 131 of the rod 130 are connected through hinges 133 to a movable platform 120. The rods 130 are universal shafts, and the hinges 133 in a preferred embodiment of the invention are universal joints hinges (Hooke's joints) that provide two degrees of freedom at the attachment point (two rotational degrees of freedom).

[55] Неподвижная платформа 110 снабжена площадками 111, ориентированными в сторону подвижной платформы 120. Площадки 111 совместно с неподвижной платформой 110 трипода 100 могут быть выполнены в виде единой цельной детали или могут быть выполнены в виде отдельных элементов, жестко соединенных между собой. Площадки 111 направлены параллельно центральной оси трипода, располагаясь относительно друг друга под углом в 120°.[55] The fixed platform 110 is provided with platforms 111 oriented towards the movable platform 120. The platforms 111 together with the fixed platform 110 of the tripod 100 can be made as a single integral part or can be made as separate elements rigidly connected to each other. The pads 111 are directed parallel to the central axis of the tripod, positioned relative to each other at an angle of 120 °.

[56] Механизм 100 типа «трипод» приводится в движение приводными элементами 200, которые размещены на площадке 111. Управляя взаимосвязанно тремя приводными элементами 200 по определенному закону, возможно осуществлять перемещения подвижной платформы 120 трипода манипулятора в пространстве (два поворота и одно линейное перемещение). Подвижная платформа 120 трипода является его конечным звеном, следовательно, является выходным звеном трипода.[56] The tripod type mechanism 100 is driven by the drive elements 200, which are located on the platform 111. By controlling interconnectedly three drive elements 200 according to a certain law, it is possible to carry out the movement of the platform 120 of the manipulator tripod in space (two turns and one linear movement) . The mobile platform 120 of the tripod is its final link, therefore, is the output link of the tripod.

[57] В некоторых вариантах осуществления манипулятора приводнойэлемент 200 может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов. Например, в качестве приводного элемента 200 может быть использован любой известный сервопривод совместно с безлюфтовым редуктором с нулевым механическим люфтом, например, с безлюфтовым прецизионным редуктором предпочтительно волнового типа или с планетарным редуктором с угловым люфтом менее 6'.[57] In some embodiments, the implementation of the manipulator drive element 200 may be made in the form of any known mechanism that ensures the reduction of accuracy losses due to backlash. For example, any known servo drive can be used as a drive element 200 in conjunction with a backlashless gearbox with zero mechanical play, for example, with a backlashless precision gearbox, preferably of a wave type, or with a planetary gearbox with an angular play of less than 6 '.

[58] Конкретный вариант исполнения приводного элемента манипулятора 200 согласно настоящему изобретению приведен на фигуре 4. Приводной элемент 200 включает динамичный и точный синхронный сервопривод 210 с шарико-винтовой передачей. В зависимости от шага шарико-винтовой передачи можно увеличить или уменьшить передаточное число приводного элемента.[58] A specific embodiment of a manipulator actuator 200 according to the present invention is shown in FIG. 4. The actuator 200 includes a dynamic and accurate synchronous ball screw servo 210. Depending on the pitch of the ball screw, the gear ratio of the drive element can be increased or decreased.

[59] Передача момента осуществляется следующим образом. Сервопривод 210, закрепленный на неподвижной опорной платформе 110, через соединительную муфту 220 соединяется с валом 230 шарико-винтовой передачи и приводит его во вращательное движение. При этом гайка 240 шарико-винтовой передачи совершает поступательные движения. Гайка 240 крепится в держателе 250 гайки шарико-винтовой передачи, который соединен в нижней своей части с площадкой 260, установленной на подвижной каретке 270 линейного перемещения. Каретка 270 выполнена с возможностью движения по направляющему рельсу 280, закрепленному на внутренней стороне площадки 111, установленной перпендикулярно к неподвижной платформе 110.[59] The transmission of torque is as follows. A servo drive 210, mounted on a fixed support platform 110, is connected through a coupling 220 to a ball screw shaft 230 and rotates it. In this case, the ball screw nut 240 performs translational movements. The nut 240 is mounted in a ball screw nut holder 250, which is connected in its lower part to a platform 260 mounted on a movable linear carriage 270. The carriage 270 is configured to move along a guide rail 280 fixed to the inside of the platform 111 mounted perpendicular to the fixed platform 110.

[60] На верхней части держателя гайки 250 шарико-винтовой передачи базируется подшипниковый узел 290. К кареткам 270 линейных приводов через вращательный механизм в виде подшипникового узла 290, размещенного на держателе 250 гайки шарико-винтовой передачи, крепятся своими концами 132 штанги 130 (не показано на чертеже).[60] A bearing assembly 290 is based on the top of the ball screw nut holder 250. To linear actuator carriages 270 through a rotary mechanism in the form of a bearing assembly 290 located on the ball screw nut holder 250, are attached at their ends 132 of the rod 130 (not shown in the drawing).

[61] Таким образом, шарико-винтовая передача обеспечивает поступательные движения штанг 130 трипода 100.[61] Thus, the ball screw provides translational motion of the rods 130 of the tripod 100.

[62] Важным преимуществом вышеописанного механизма типа «трипод» является возможность расположить выходное звено (поворотную, подвижную платформу) как угодно удаленно от приводов, формирующих его движение. Удаленность определяется и регулируется длиной штанг 130. В этом случае обладающие значительной массой привода крепятся на неподвижной опорной платформе. Такая конструкция позволяет значительно сократить динамические нагрузки на выходном звене, располагая его на любом удобном удалении.[62] An important advantage of the “tripod” type mechanism described above is the ability to position the output link (swivel, movable platform) at any distance from the drives that form its movement. The distance is determined and regulated by the length of the rods 130. In this case, having a significant mass of the drive are mounted on a fixed support platform. This design can significantly reduce dynamic loads at the output link, placing it at any convenient distance.

[63] Для увеличения зоны охвата выходного звена трипода и для его полноценного позиционирования в пространстве в конструкции манипулятора предлагается использование портального механизма линейных перемещений 300 (фигура 5). Конструкция портального механизма 300 обеспечивает дополнительно два линейных перемещения для трипода 100 в пространстве - продольное и поперечное. Портальный механизм 300 состоит из модуля поперечного перемещения, по которому в поперечном направлении перемещается трипод 100, и модуля продольного перемещения, по которому в продольном направлении перемещается модуль поперечного перемещения. Конструкции модулей расположены в параллельных плоскостях. Каждый из модулей выполнен в виде прямоугольной рамы.[63] To increase the coverage area of the output link of the tripod and for its full positioning in space in the design of the manipulator, the use of a portal linear displacement mechanism 300 is proposed (figure 5). The design of the portal mechanism 300 provides an additional two linear movements for the tripod 100 in space - longitudinal and transverse. The portal mechanism 300 consists of a lateral movement module along which the tripod 100 moves in the lateral direction, and a longitudinal movement module along which the lateral movement module moves in the longitudinal direction. Module designs are located in parallel planes. Each of the modules is made in the form of a rectangular frame.

[64] Модуль поперечного перемещения выполнен в виде опорной (портальной) рамы из четырех реек, расположенных попарно перпендикулярно друг другу, при этом рейки в парах расположены параллельно. На рейках 310 первой пары с внешней стороны установлены линейные направляющие 311 модуля поперечного перемещения, по которым синхронно двигаются каретки 312.[64] The lateral movement module is made in the form of a support (portal) frame of four rails arranged in pairs perpendicular to each other, with the rails in pairs arranged in parallel. On the rails 310 of the first pair, linear guides 311 of the lateral movement module are installed on the outer side, along which the carriages 312 move synchronously.

[65] На рейках 320 другой пары (второй пары) модуля поперечного перемещения, расположенных перпендикулярно первой паре реек 310, с внутренней стороны располагается установочная плоскость, на которой закреплены установочные площадки 322. На каждой рейке 320 закреплено по две установочные площадки 322, которые в одном из вариантов осуществления изобретения могут располагаться на небольшом расстоянии от углов прямоугольной рамы.[65] On the rails 320 of the other pair (second pair) of the lateral displacement module, perpendicular to the first pair of rails 310, there is an installation plane on the inside, on which the installation sites 322 are fixed. On each rail 320, two installation sites 322 are fixed, which are one of the embodiments of the invention can be located at a small distance from the corners of a rectangular frame.

[66] Модуль продольного перемещения также выполнен в виде опорной (портальной) рамы из четырех реек, расположенных попарно перпендикулярно друг другу, при этом рейки в парах расположены параллельно. На рейках 330 первой пары модуля продольного перемещения с внешней стороны установлены линейные направляющие 331 модуля продольного перемещения, по которым синхронно двигаются каретки 332. Первая пара реек 330 модуля продольного перемещения расположена параллельно второй паре реек 320 модуля поперечного перемещения таким образом, что каретки 332 взаимодействуют с соответствующими установочными площадками 322 модуля поперечного перемещения с целью его перемещения вдоль оси х (фигура 5).[66] The longitudinal displacement module is also made in the form of a support (portal) frame of four rails arranged in pairs perpendicular to each other, with the rails in pairs arranged in parallel. On the rails 330 of the first pair of the longitudinal displacement module, linear guides 331 of the longitudinal displacement module are mounted on which the carriages 332 synchronously move. The first pair of rails 330 of the longitudinal displacement module is parallel to the second pair of rails 320 of the transverse displacement module so that the carriages 332 interact with corresponding installation sites 322 of the lateral movement module with the aim of moving it along the x axis (figure 5).

[67] Для крепления манипулятора к другим элементам робота у манипулятора предусмотрены специальные крепления манипулятора (не указаны на чертеже). Конструкция крепления манипулятора зависит от конструкции робота в целом. На креплении манипулятора предусмотрены поверхности для соединения с другими элементами робота, и есть ответные поверхности для соединения и крепления непосредственно с манипулятором. Поверхности для крепления с манипулятором соединяются с манипулятором, а именно, со специально предусмотренными поверхностями на одной из рам модуля продольного перемещения портального механизма 300.[67] For mounting the manipulator to other elements of the robot, the manipulator has special manipulator mounts (not shown in the drawing). The mounting design of the manipulator depends on the design of the robot as a whole. On the mount of the manipulator, surfaces are provided for connecting to other elements of the robot, and there are mating surfaces for connecting and attaching directly to the manipulator. The mounting surfaces with the manipulator are connected to the manipulator, namely, with specially provided surfaces on one of the frames of the longitudinal movement module of the portal mechanism 300.

[68] Неподвижная платформа 110 трипода закреплена непосредственно на модуле поперечного перемещения без использования каких-либо дополнительных кинематических связей. Указанное соединение осуществляется следующим образом. На неподвижной платформе 110 трипода диаметрально противоположно выполнены «ушки» 112 (крепежный элемент) (фигура 3) для монтажа кареток 312 модуля поперечного перемещения, которые перемещают механизм трипода 100 по линейным направляющим 311 вдоль оси y (фигура 5). В качестве линейных направляющих в предпочтительном варианте изобретения используются прецизионные рельсовые направляющие, которые устанавливаются на каркас портала.[68] The fixed tripod platform 110 is mounted directly on the lateral movement module without using any additional kinematic connections. The specified connection is as follows. On the fixed platform 110 of the tripod, “ears” 112 (fastener) (FIG. 3) are diametrically opposed for mounting the carriages 312 of the lateral movement module, which move the tripod mechanism 100 along linear guides 311 along the y axis (FIG. 5). As linear guides in a preferred embodiment of the invention, precision rail guides are used which are mounted on the portal frame.

[69] Преимущество вышеописанного исполнения портального механизма 300 для обеспечения линейных движений трипода 100 состоит в создании жесткого рамного каркаса и обеспечении высокой точности перемещений. Компоновка трипода 100 с портальным механизмом 300 обеспечивает большой охват операционного поля выходным звеном трипода, при этом имея более компактные размеры всего манипулятора в целом по сравнению с другими вариантами исполнения комбинированных манипуляторов.[69] An advantage of the above-described embodiment of the portal mechanism 300 for providing linear movements of the tripod 100 is the creation of a rigid frame frame and ensuring high accuracy of movements. The layout of the tripod 100 with the portal mechanism 300 provides a large coverage of the surgical field with the output link of the tripod, while having more compact dimensions of the entire manipulator as a whole compared to other versions of the combined manipulators.

[70] Блок приводов 400 портального механизма может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов при работе.[70] The drive unit 400 of the portal mechanism can be made in the form of any known mechanism that provides a reduction in accuracy losses due to backlash during operation.

[71] В предпочтительном варианте осуществления манипулятора каждая из осей линейного перемещения портального механизма приводится в движение точным синхронным сервоприводом 410 совместно с ременной передачей. Сервопривод 410 работает в паре с прецизионным планетарным редуктором 411. Он необходим для повышения момента двигателя и большей грузоподъемности конструкции. В качестве редуктора 411 может быть использован любой известный редуктор с нулевым механическим люфтом. В качестве ременной передачи используется полиуретановый зубчатый ремень в паре с зубчатыми шкивами 412. Данные приводные ремни не растягиваются благодаря запрессованному корду, и таким образом не подвержены остаточной деформации. Удлинение, вызываемое периферийными силами и предварительным натяжением, чрезвычайно мало. Такое решение подходит для передач высокой мощности и обеспечения необходимой точности.[71] In a preferred embodiment of the manipulator, each of the linear axes of the portal mechanism is driven by an accurate synchronous servo 410 in conjunction with a belt drive. The servo drive 410 is paired with a precision planetary gear 411. It is necessary to increase the torque of the engine and greater load capacity of the structure. As a gearbox 411, any known gearbox with zero mechanical play can be used. A polyurethane toothed belt paired with toothed pulleys 412 is used as a belt drive. These drive belts do not stretch due to the pressed cord, and thus are not subject to permanent deformation. The elongation caused by peripheral forces and pretension is extremely small. This solution is suitable for high power gears and providing the necessary accuracy.

[72] В результате получается манипулятор, как сочетание кинематического решения в виде механизма трипода 100 и портального механизма 300 его линейных перемещений (фигура 5). Трипод обладает двумя вращательными и одной поступательной степенью свободы. Поступательное движение (ось z) обеспечивается благодаря синхронной работе трех серводвигателей в одном направлении. Механизм линейных перемещений трипода обеспечивает дополнительные две степени свободы (по осям x, y).[72] The result is a manipulator, as a combination of a kinematic solution in the form of a tripod mechanism 100 and a portal mechanism 300 of its linear displacements (figure 5). Tripod has two rotational and one translational degrees of freedom. The forward movement (z axis) is ensured by the synchronous operation of three servomotors in one direction. The mechanism of linear displacements of the tripod provides an additional two degrees of freedom (along the x, y axes).

[73] Таким образом, разработанный манипулятор позволяет наиболее точно, при максимально необходимых углах поворота, при минимальном весе и размере конструкции, обеспечить перемещение выходного звена (подвижной платформы трипода) вокруг удаленного центра движения-точки «0».[73] Thus, the developed manipulator allows most accurately, at the maximum required angles of rotation, with the minimum weight and size of the structure, to ensure the movement of the output link (mobile tripod platform) around the remote center of motion-point "0".

[74] В одном из вариантов осуществления манипулятора согласно настоящему изобретению на выходное звено хирургического манипулятора устанавливают хирургический инструмент 500 (фигура 6, фигура 7), например, выполненный в виде концевого эффектора 510 с браншами и приводом 550 для управления концевым эффектором хирургического инструмента. Привод 550 закреплен на платформе хирургического инструмента (не показана не чертеже), для передвижения которой по одной линейной оси предусмотрен отдельный приводной элемент 600.[74] In one embodiment of the manipulator according to the present invention, a surgical instrument 500 (FIG. 6, FIG. 7) is mounted on the output link of the surgical manipulator, for example, made in the form of an end effector 510 with jaws and a drive 550 for controlling the end effector of a surgical instrument. The actuator 550 is mounted on a surgical instrument platform (not shown not in the drawing), for the movement of which a separate actuating element 600 is provided along one linear axis.

[75] Приводной элемент 600 может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов при работе. В предпочтительном варианте осуществления манипулятора платформа хирургического инструмента совместно с хирургическим инструментом приводится в движение линейно точным синхронным сервоприводом 610 совместно с ременной передачей. Он обеспечивает дополнительный ход по оси z хирургическому инструменту 500 в те моменты, когда движение по этой оси благодаря одновременной работе серводвигателей 210 трипода 100 будет недостаточным, нежелательным или невозможным. [75] The drive element 600 can be made in the form of any known mechanism that provides a reduction in accuracy losses due to backlash during operation. In a preferred embodiment of the manipulator, the platform of the surgical instrument in conjunction with the surgical instrument is driven by a linearly accurate synchronous servo drive 610 in conjunction with a belt drive. It provides an additional stroke along the z axis to the surgical instrument 500 at those times when the movement along this axis due to the simultaneous operation of the servomotors 210 of the tripod 100 will be insufficient, undesirable or impossible.

[76] Для осуществления описанного выше линейного перемещения хирургического инструмента 500 вдоль оси z к подвижной платформе 120 трипода жестко присоединяют площадку 620 с установленной на ней линейной направляющей 630, по которой с помощью сервопривода 610 перемещается каретка (не показана на чертеже) с закрепленной на ней платформой хирургического инструмента 500.[76] To carry out the linear movement of the surgical instrument 500 along the z axis described above, a platform 620 is rigidly connected to the tripod movable platform 120 with a linear guide 630 mounted on it along which a carriage (not shown in the drawing) is moved with a servo 610 attached to it surgical instrument platform 500.

[77] Такая кинематическая схема позволяет обеспечить ввод инструмента в тело пациента в точке «0» (точка входа хирургического инструмента в тело пациента) и с помощью разработанного математического аппарата системы управления обеспечит движение всего механизма вокруг этой точки.[77] Such a kinematic scheme allows the instrument to be inserted into the patient’s body at point “0” (the entry point of the surgical instrument into the patient’s body) and, using the developed mathematical apparatus of the control system, will ensure the movement of the entire mechanism around this point.

[78] При возникновении необходимости движения манипулятора хирург перемещает «ручку» управляющего контроллера. Формируется цифровой сигнал и передается в цифровой блок управления, который представляет собой стойку с системой числового программного управления (далее - «система ЧПУ»). Система ЧПУ обеспечивает преобразование координат ручки управляющего контроллера в координаты исполнительного устройства (манипулятора). Она осуществляет формирование сигналов управления приводами по каждой степени подвижности исполнительного устройства таким образом, чтобы то или иное его движение соответствовало направлению, в котором оператор-хирург воздействовал на механизм управляющего контроллера, и оно было для него интуитивно понятно.[78] When it becomes necessary to move the manipulator, the surgeon moves the “handle” of the control controller. A digital signal is generated and transmitted to the digital control unit, which is a rack with a numerical control system (hereinafter referred to as the "CNC system"). The CNC system converts the coordinates of the handle of the control controller into the coordinates of the actuator (manipulator). It carries out the formation of drive control signals for each degree of mobility of the actuator so that its movement corresponds to the direction in which the operator-surgeon acted on the mechanism of the control controller, and it was intuitive for him.

[79] Блоки приводов (приводные элементы) манипулятора связаны с системой ЧПУ. Они сопряжены посредством общей шины передачи данных. Система ЧПУ выполнена с возможностью записи данных о получаемых командах. Средства передачи данных выбираются из устройств, предназначенных для реализации процесса коммуникации между различными устройствами посредством проводной и/или беспроводной связи, в частности, такими устройствами могут быть: GSM модем, Wi-Fi приемопередатчик, Bluetooth или BLE модуль, GPRS модуль, NFS, Ethernet и т.п.[79] The blocks of drives (drive elements) of the manipulator are connected with the CNC system. They are interfaced via a common data bus. The CNC system is configured to record data on received commands. Data transmission tools are selected from devices designed to implement the communication process between different devices through wired and / or wireless communication, in particular, such devices can be: GSM modem, Wi-Fi transceiver, Bluetooth or BLE module, GPRS module, NFS, Ethernet etc.

[80] Манипулятор обладает гибкими настройками, что позволяет его ориентировать под разные задачи. Использование предложенной схемы позволит создать максимально выверенные под хирургическую технологию высокоточные, компактные, жесткие, высокодинамичные и при этом недорогие манипуляторы под каждый (необходимый) вид хирургического вмешательства.[80] The manipulator has flexible settings, which allows it to be oriented to different tasks. Using the proposed scheme will allow you to create the most accurate for surgical technology high-precision, compact, rigid, highly dynamic and at the same time inexpensive manipulators for each (necessary) type of surgical intervention.

[81] Примененный подход, основывающийся на объединении конструкции трипода с портальным механизмом его линейных перемещений, теоретически обоснован и подтвержден при помощи моделирования.[81] The applied approach, based on the combination of the tripod design with the portal mechanism of its linear movements, is theoretically substantiated and confirmed by simulation.

[82] Хотя настоящая патентная заявка относится к определенному в прилагаемой ниже в формуле изобретения изобретению, важно отметить, что настоящая заявка на патент содержит основание для формулировки других изобретений, которые могут, например, быть заявлены как объект уточненной формулы изобретения настоящей заявки или как объект формулы изобретения в выделенной и/или продолжающей заявке. Такой объект может быть охарактеризован любым признаком или комбинацией признаков, описанных в настоящем документе.[82] Although the present patent application relates to the invention defined in the claims below, it is important to note that this patent application contains the basis for the wording of other inventions, which may, for example, be claimed as an object of the amended claims of the present application or as an object claims in a separate and / or continuing application. Such an object may be characterized by any feature or combination of features described herein.

Claims

1. The combined manipulator of the robotic surgical complex, including:

a mechanism 100 provided with driving elements 200 and made in the form of a fixed supporting platform 110 and a movable platform 120 interconnected by three rods 130, the movable platform 120 of the mechanism 100 is arranged to accommodate a surgical instrument 500,

and a portal mechanism 300, made in the form of a transverse movement module and a longitudinal movement module, each of which is equipped with a drive unit 400,

while the drive elements 200 and the drive units 400 are configured to transmit and / or receive data from the control system of the robotic surgical complex;

while the mechanism 100 is mounted on the transverse movement module with the possibility of moving along it in the transverse direction, and the transverse movement module is mounted on the longitudinal movement module with the ability to move along it in the longitudinal direction,

moreover, each rod 130 of the mechanism 100 with one of its ends 132 through the bearing assembly 290 is connected to the corresponding drive element 200, mounted on a fixed support platform 110, and the other end 131 through the hinge 133 - with a movable platform 120;

each of these modules of the portal mechanism 300 is made in the form of a support frame of four rails arranged in pairs perpendicular to each other, and the rails in pairs are arranged in parallel, while one pair of rails is provided with linear guides,

moreover, on the linear guide rails of the first pair 310 of the lateral displacement module, carriages 312 with a fixed support platform 110 fixed thereon for laterally displacing the mechanism 100

and on the linear guide rails of the first pair 330 of the longitudinal displacement module, two carriages 332 are placed with an installation pad 322 fixed on each of them, which is fixed on the installation plane of the inner surface of the rails 320 from the second pair of rails of the transverse displacement module, for longitudinal displacement of the transverse displacement module with mechanism 100.

2. The manipulator according to claim 1, characterized in that the drive unit 400 of each module of the portal mechanism 300 is made on the basis of a synchronous servo drive 410 together with a precision planetary gear 411.

3. The manipulator according to claim 1, characterized in that it further includes a drive element 600, located on a movable platform 120, for moving the surgical instrument along one linear axis.

4. The manipulator according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that as the drive element 200 of the mechanism 100 or the drive element 600 to move the surgical instrument, a servo drive is used in conjunction with a backlash-free precision wave-type gearbox or with a planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 '.

5. The manipulator according to claim 1, characterized in that the diametrically opposite fasteners 112 are made on the fixed support platform 110 of the mechanism 100 for mounting the carriages 312 of the transverse movement module.

6. The manipulator according to claim 1, characterized in that the fixed support platform 110 of the mechanism 100 is provided with platforms 111 oriented towards the movable platform 120 of the mechanism 100 and located relative to each other at an angle of 120 °.

7. The manipulator according to claim 6, characterized in that the drive element 200 is located on the site 111 and is made in the form of a servo drive 210 with a ball screw transmission.