RU2847429C1

RU2847429C1 - Method for automated insertion of a transpedicular screw and working body of a medical manipulator robot for its implementation

Info

Publication number: RU2847429C1
Application number: RU2024121730A
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Соловьёв; Илья Александрович Фролов; Евгений Олегович Лопухов; Андрей Александрович Воротников; Юрий Викторович Подураев; Антон Юрьевич Кордонский; Андрей Анатольевич Гринь; Олег Валерьевич Левченко
Filing date: 2024-07-31
Publication date: 2025-10-03

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: a group of inventions relates to medicine, in particular to a method for automated insertion of a transpedicular screw and a working body of a medical manipulation robot for its implementation. The working body includes three degrees of mobility: a stationary linear degree, which performs the translational movement of the working body, and two interchangeable rotational degrees of mobility, which are fixed to the linear degree of mobility by means of clamps. One of the degrees of mobility is low-speed rotational and rotates the surgical instrument in the form of a surgical awl, surgical tap or transpedicular screwdriver around its own axis. The second is a high-speed rotational degree of mobility and is designed to rotate a surgical drill. The method for using the working body includes procedures for interacting with the working body and its control system in order to perform the stages of a surgical operation for transpedicular fixation of the patient's spine with automated screwing in of a transpedicular screw.

EFFECT: performance of automated surgical manipulations with increased safety through the use of a control system that controls the working body by tracking data from position, force and torque sensors in accordance with input data on the type of instrument used, the type of screw, the required depth of the instrument, and monitoring for exceeding the limit values, followed by stopping and indicating an error in the operation stage.

2 cl, 22 dwg

Description

Область техникиField of technology

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Настоящее изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при выполнении следующих этапов хирургических операций: формирование лунки в костной ткани при помощи шила, сверление отверстий в педикулах позвонков, формирование резьбовых каналов в этих отверстиях и вкручивание транспедикулярных винтов в педикулы позвонков. Изобретение представляет собой рабочий орган к роботу, предназначенный для автоматизированного вкручивания сменного хирургического инструмента. Рабочий орган обладает конструкцией с поступательной степенью подвижности и сменными вращательными степенями подвижности с отличающимися скоростными диапазонами, задание которых осуществляется системой управления. Рабочий орган осуществляет выполнение своих функций благодаря наличию способа осуществления автоматизированного вкручивания.The present invention relates to medical technology and can be used in the following surgical procedures: creating a socket in bone tissue using an awl, drilling holes in the pedicles of the vertebrae, forming threaded channels in these holes, and screwing transpedicular screws into the pedicles of the vertebrae. The invention is a robotic end effector designed for the automated insertion of a replaceable surgical instrument. The end effector is designed with a translational degree of freedom and interchangeable rotational degrees of freedom with varying speed ranges, which are set by a control system. The end effector performs its functions through the use of a method for automated insertion.

Уровень техникиState of the art

Из научно-технической литературы и патентной документации известны патенты рабочих органов робота, мехатронных устройств и робототехнических комплексов медицинских манипуляционных роботов для автоматизации этапов хирургических манипуляций.From scientific and technical literature and patent documentation, patents are known for robot working parts, mechatronic devices and robotic complexes of medical manipulation robots for the automation of stages of surgical manipulations.

В патенте 1 (US 8974460) описано мехатронное устройство в виде отвертки позволяющее осуществлять сверление кости и закручивание винта посредством вращения подвижной части конструкции, сопрягающейся со сменными хирургическими инструментами. Устройство способно отслеживать положение винта и достижение его целевого положения при помощи специального механизма и визуального контроля оценки количества поворотов винта посредством навигационной системы или системы компьютерной томографии. Устройство так же может определять параметры используемого винта при помощи контактных элементов или бесконтактных, магнитных элементов, расположенных внутри винта. Недостатком данного устройства является отсутствие компонентов для реализации автоматизированного поступательного и вращательного движения транспедикулярного винта и метод закрепления, при котором устройство может быть либо закреплено на жестко зафиксированной конструкции, либо находится в руке хирурга.Patent 1 (US 8974460) describes a mechatronic device in the form of a screwdriver that enables drilling into bone and tightening a screw by rotating a movable part of the structure, which is mated with interchangeable surgical instruments. The device is capable of tracking the position of the screw and reaching its target position using a special mechanism and visually monitoring the number of screw rotations via a navigation system or a computed tomography system. The device can also determine the parameters of the screw being used using contact elements or contactless magnetic elements located within the screw. A disadvantage of this device is the lack of components for automated translational and rotational movement of the transpedicular screw and a fastening method in which the device can be either fixed to a rigid structure or held in the surgeon's hand.

В патенте 2 (US 11890144) описано мехатронное устройство, представляющее собой ручку со встроенным двигателем, датчиком тока и микропроцессорным устройством, позволяющее посредством измерения значений тока на обмотке двигателя, определять момент сопротивления, возникающий на выходном звене в процессе закручивания винта и тем самым осуществлять индикацию превышения момента. Данная ручка может быть использована хирургом как мануально, так и быть закреплена на манипуляторе робота. Недостатком данного устройства является отсутствие линейного перемещения, что осложняет ее применение при осуществлении вкручивания транспедикулярного винта, а также использование косвенного метода измерения крутящего момента вместо использования силомоментых датчиков, что приводит к пониженной точности измерения момента.Patent 2 (US 11890144) describes a mechatronic device consisting of a handle with an integrated motor, current sensor, and microprocessor. By measuring the current in the motor winding, it can determine the torque generated in the output element during screw tightening, thereby indicating excess torque. This handle can be used manually by the surgeon or attached to a robotic arm. A disadvantage of this device is the lack of linear motion, which complicates its use when inserting a pedicle screw, as well as the use of an indirect torque measurement method instead of force-torque sensors, which results in reduced torque measurement accuracy.

В патентах 3-4 (US 20210121252 A1, US 9480534) представлены мехатронные системы, обладающие несколькими степенями подвижностей для позиционирования рабочего органа и креплением, на котором устанавливается рабочий орган для проведения операций сверления костной ткани пациента. Недостатком данных решений является отсутствие на рабочем органе мехатронной системы компонентов для автоматизации процесса вкручивания транспедикулярного винта и отсутствие в системе управления силомоментных датчиков, позволяющих осуществлять измерение сил и крутящих моментов при проведении хирургических манипуляций на ткани пациента.Patents 3-4 (US 20210121252 A1, US 9480534) present mechatronic systems with multiple degrees of freedom for positioning the working element and a mount on which the working element is mounted for drilling into the patient's bone tissue. A drawback of these solutions is the lack of components on the working element of the mechatronic system to automate the insertion of a pedicle screw, and the absence of force-torque sensors in the control system to measure forces and torques during surgical manipulations on the patient's tissue.

В патентах 5-9 (CN 105963018 A, US 20160151120 A1, US 20210282864 A1, US 9901356, US 10687905) представлены системы в виде медицинских манипуляционных роботов с закрепленными на них рабочими органами в виде хирургических инструментов или дрелей. У всех систем есть дополнительный метод отслеживания положения хирургического инструмента в виде компьютерной томографии или фотограмметрических систем. Недостатком подобных систем является отсутствие возможности осуществлять вкручивание транспедикулярного винта, осуществляя одновременное измерение линейного и вращательного перемещения.Patents 5-9 (CN 105963018 A, US 20160151120 A1, US 20210282864 A1, US 9901356, US 10687905) present systems in the form of medical manipulation robots with attached working elements in the form of surgical instruments or drills. All systems have an additional method for tracking the position of the surgical instrument in the form of computed tomography or photogrammetric systems. A disadvantage of such systems is the inability to insert a transpedicular screw while simultaneously measuring linear and rotational movement.

В патентах 10-14 (US 9283048, WO 2015115809 A1, CN 113679473 A, CN 106170266 B, US 20210077205 A1) представлены системы в виде медицинских манипуляционных роботов с силомоментным очувствлением, позволяющие позиционировать рабочий орган в требуемом положении, при этом рабочий орган обладает линейной степенью подвижности, что позволяет осуществлять линейное перемещение дрели или закрепленного при помощи крепежных элементов хирургического инструмента. Недостатком данных систем является отсутствие синхронного управления вращательным и линейным перемещением для инструментов, связанных с вкручиванием транспедикулярного винта, что может негативно сказаться на качестве фиксирования винта в педикуле позвонка.Patents 10-14 (US 9283048, WO 2015115809 A1, CN 113679473 A, CN 106170266 B, US 20210077205 A1) present systems in the form of medical manipulation robots with force-torque sensing, allowing for positioning of the working element in the required position. The working element has a linear degree of mobility, which allows for the linear movement of a drill or a surgical instrument secured with fasteners. A disadvantage of these systems is the lack of synchronous control of the rotational and linear movement of the instruments associated with the screwing of a transpedicular screw, which can negatively affect the quality of screw fixation in the pedicle.

В патенте 15 (US 20210128261 A1) описывается система с медицинским манипуляционным роботом на механическом интерфейсе которого осуществляется закрепление одного из группы сменных рабочих органов. Сменные рабочие органы включают в себя дрель, устройство регистрации объектов и конструкции для позиционирования инструментов. Недостатком данного технического решения является отсутствие в используемых сменных рабочих органах автоматизации процесса вкручивания винта, а лишь используется набор деталей в виде направляющей для направления инструментов при мануальных хирургических манипуляциях.Patent 15 (US 20210128261 A1) describes a system with a medical manipulation robot, whose mechanical interface is used to attach one of a group of interchangeable working elements. The interchangeable working elements include a drill, an object registration device, and instrument positioning devices. A drawback of this technical solution is that the interchangeable working elements used do not automate the screw insertion process; instead, they use a set of components in the form of a guide to guide instruments during manual surgical procedures.

В патентах 16-19 (US 9707043 B2, US 20230098080 A1, US 20190117321 A1, TW 201524451 A) описаны устройства и дрели с дополнительными конструктивными элементами в виде степеней подвижности, позволяющими осуществлять дополнительное позиционирование элементов хирургических инструментов и сверл в процессе проведения хирургических манипуляций с тканями пациента. Недостатком подобного решения является отсутствие возможности осуществления синхронного поступательного и вращательного движения для вращательных движений больше чем на 360 град, что не позволяет осуществить вкручивание транспедикулярного винта.Patents 16-19 (US 9707043 B2, US 20230098080 A1, US 20190117321 A1, TW 201524451 A) describe devices and drills with additional design elements in the form of degrees of freedom, allowing for additional positioning of surgical instrument elements and drills during surgical manipulation of patient tissue. A disadvantage of this solution is the inability to achieve synchronous translational and rotational motion for rotational movements greater than 360 degrees, which prevents the insertion of a transpedicular screw.

В патентах 20, 21 (US 20200093500 A1, ЕР 3730079 В1) описаны системы, представляющие собой рабочие органы для манипулятора включающие конструкции с электрическими приводами позволяющие позиционировать инструмент в требуемое положение и осуществлять линейное перемещение инструмента и вращательное движение инструмента. Тем самым становится возможным автоматизировать процессы введения транспедикулярных винтов в позвонки. Недостатком предложенных решений является отсутствие элементов, позволяющих осуществлять сверление костной ткани и отсутствие сенсорной системы способной определять усилие, возникающее на инструментах во время проведения операций.Patents 20 and 21 (US 20200093500 A1, EP 3730079 B1) describe systems comprising working elements for a manipulator, including structures with electric drives that allow for instrument positioning and linear and rotary movement. This makes it possible to automate the insertion of pedicle screws into vertebrae. A drawback of these proposed solutions is the lack of elements that allow for drilling into bone tissue and the absence of a sensor system capable of detecting the force exerted on the instruments during surgery.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран патент 22 (US 11141229). Данный патент описывает рабочий орган манипуляционного хирургического робота, который может использоваться как для сверления, так и для вкручивания транспедикулярных винтов с двумя различными вариантами реализации конструкции, которые включают в себя две степени подвижности. Первая степень подвижности осуществляет поступательные движения и включает в себя основание для крепления к фланцу робота, стержень, выступающий от неподвижной пластины, скользящую пластину, перемещаемую относительно основания вдоль осевого направления стержня. В первом варианте конструкции перемещение осуществляется путем вращения шкива закрепленного на гайке винта и приводимого в движение посредством ремня сопряженного со шкивом двигателя, установленного на скользящей пластине. Во втором варианте конструкции поступательное движение реализуется посредством шарико-винтовой передачи, гайка которой через ступицу сопряжена со шкивом, вращение которого осуществляется путем использования ремня сопряженного со шкивом двигателя, расположенного на скользящей пластине. Вторая подвижность представляет собой вращательную подвижность в виде вала, установленного на подшипники, с выходным фланцем, причем вал вращается либо посредством ременной передачи, момент на которую подается при помощи ремня, сопряженного со шкивом, установленным на двигателе либо двигатель напрямую механически сопряжен с валом. На фланце рабочего органа есть пазы для закрепления конструкции крепления инструментов. Данная конструкция обеспечивает возможность установки хирургического инструмента в шестигранный паз и фиксации его посредством пружинного фиксатора. В конструкцию рабочего органа встроен многоосевой датчик сил и моментов, и он может быть закреплен на скользящей пластине и сопрягать пластину с другими компонентам конструкции, или на месте сопряжения конструкций, закрепленных на скользящей пластине с пластиной, на которой располагаются компоненты вращательной подвижности. Помимо этого, двигатели позволяют определять момент при помощи измерения противоэдс возникающей на обмотках двигателя при возникновении моментной нагрузки.Patent 22 (US 11141229) was selected as the closest analogue (prototype). This patent describes the working element of a manipulation surgical robot, which can be used for both drilling and screwing in transpedicular screws, with two different design options, which include two degrees of freedom. The first degree of freedom implements translational movements and includes a base for attachment to the robot flange, a rod protruding from a fixed plate, and a sliding plate movable relative to the base along the axial direction of the rod. In the first design option, movement is achieved by rotating a pulley secured to a screw nut and driven by a belt coupled to the pulley of a motor mounted on the sliding plate. In the second design option, translational motion is achieved by means of a ball screw transmission, the nut of which is coupled via a hub to a pulley, the rotation of which is achieved by using a belt coupled to the pulley of a motor located on the sliding plate. The second type of motion is rotational motion, consisting of a shaft mounted on bearings with an output flange. The shaft rotates either via a belt drive, the torque to which is supplied by a belt coupled to a pulley mounted on the motor, or the motor is directly mechanically coupled to the shaft. The flange of the working element has slots for securing the instrument mounting structure. This design allows for the insertion of a surgical instrument into a hexagonal slot and its retention with a spring clamp. A multi-axis force and moment sensor is integrated into the working element. It can be mounted on a sliding plate and interface the plate with other components of the structure, or at the interface between structures mounted on the sliding plate and the plate on which the rotational motion components are located. Furthermore, the motors allow torque determination by measuring the back-EMF generated in the motor windings when a torque load is applied.

Данный рабочий орган обладает системой управления, включающей в едином корпусе: панель с разъемами для подключения проводов, электронный блок подачи управляющих сигналов на двигатели, систему охлаждения, электронный блок преобразователь переменного тока, бесперебойный источник питания, электронный блок управления магнитным креплением, модуль нейромониторинга для считывания электрического потенциала с закрепляемого зонда, панель управления роботом, систему управления роботом.This working element has a control system that includes in a single housing: a panel with connectors for connecting wires, an electronic unit for supplying control signals to the motors, a cooling system, an electronic unit for converting alternating current, an uninterruptible power supply, an electronic control unit for magnetic fastening, a neuromonitoring module for reading the electrical potential from the attached probe, a robot control panel, and a robot control system.

К недостаткам данного решения относятся: отсутствие возможности изменения конфигурации рабочего органа, например, отсутствует степень подвижности для сверления костных структур, тем самым становится невозможным изменять скоростной диапазон используемой вращательной степени подвижности, что ухудшает качество проведения операций по транспедикулярной фиксации. Помимо этого, в рассматриваемом решении отсутствуют элементы, позволяющие осуществлять калибровку концевой точки хирургических инструментов что усложнит его использование в хирургической практике. Еще одним недостатком является отсутствие механизма подстройки положения хирургического инструмента, с целью компенсации несносности положения оси хирургических инструментов относительно оси вращательной степени подвижности.The disadvantages of this solution include the inability to change the configuration of the working element. For example, there is no degree of freedom for drilling bone structures, making it impossible to change the speed range of the rotational degree of freedom used, which impairs the quality of transpedicular fixation procedures. Furthermore, the solution under consideration lacks elements for calibrating the endpoint of surgical instruments, which complicates its use in surgical practice. Another drawback is the lack of a mechanism for adjusting the position of the surgical instrument to compensate for any misalignment of the axis of the surgical instruments relative to the axis of the rotational degree of freedom.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Рабочий орган 1 предназначен для проведения автоматизированных хирургических манипуляций с педикулами позвонков. К реализуемым хирургическим манипуляциям относятся: осуществление прокола кортикального слоя кости, сверление отверстий, формирование резьбовых каналов и установка транспедикулярных винтов путем линейного и вращательного перемещения хирургических инструментов 9, в границах своей рабочей зоны. Установка хирургических инструментов 9 в рабочем органе осуществляется путем использования двух, сменных вращательных степеней подвижностей, обладающих разными скоростными диапазонами и механизмами крепления хирургических инструментов 73. Данные сменные вращательные степени подвижности закрепляются на стационарной линейной степени подвижности. Первой сменной степенью подвижности является низкооборотная вращательная степень подвижности 36, предназначенная для закрепления таких хирургических инструментов как: хирургический метчик, хирургическое шило и транспедикулярная отвертка посредством специального механизма крепления 73. Второй сменной степенью подвижности является высокооборотная степень подвижности 29, имеющая в своем составе хирургическую дрель 80, и используемая для закрепления требуемого хирургического сверла.The working element 1 is designed for automated surgical manipulation of the pedicles of the vertebrae. The surgical manipulations performed include: puncturing the cortical bone layer, drilling holes, forming threaded channels, and installing transpedicular screws through the linear and rotational movement of surgical instruments 9 within their working area. The surgical instruments 9 are installed in the working element using two interchangeable rotational degrees of freedom, each with different speed ranges and attachment mechanisms for the surgical instruments 73. These interchangeable rotational degrees of freedom are secured to a stationary linear degree of freedom. The first interchangeable degree of mobility is a low-speed rotary degree of mobility 36, designed for securing such surgical instruments as: a surgical tap, a surgical awl and a transpedicular screwdriver by means of a special fastening mechanism 73. The second interchangeable degree of mobility is a high-speed degree of mobility 29, which has a surgical drill 80 in its composition and is used to secure the required surgical drill.

На фигуре 1 показан общий вид предлагаемого рабочего органа для автоматического вкручивания транспедикулярных винтов 18 с установленной сменной низкооборотной вращательной степенью подвижности 36. Определение текущего положения инструмента 9 осуществляется при помощи датчиков перемещения установленных в степенях подвижностей рабочего органа через систему управления 20, а калибровка положения концевой точки хирургического инструмента 9 осуществляется с помощью стереофотограмметрической системы 30 и крепления со сферическими маркерами 31, расположенными на сменных вращательных степенях подвижности.Figure 1 shows a general view of the proposed working element for the automatic screwing in of transpedicular screws 18 with an installed replaceable low-speed rotational degree of mobility 36. The current position of the instrument 9 is determined using movement sensors installed in the degrees of mobility of the working element through the control system 20, and the calibration of the position of the end point of the surgical instrument 9 is carried out using a stereophotogrammetric system 30 and a mount with spherical markers 31 located on the replaceable rotational degrees of mobility.

Рабочий орган 1 закрепляется на механическом интерфейсе 6, сопрягаемым с фланцем медицинского манипуляционного робота 3. С другой стороны, механический интерфейс взаимосвязан со стойкой 33. В стойке 33 имеются отверстия, через которые она может быть закреплена с помощью винтов относительно механического интерфейса 6 с медицинским манипуляционным роботом 3.The working element 1 is fixed on the mechanical interface 6, which is mated with the flange of the medical manipulation robot 3. On the other hand, the mechanical interface is interconnected with the stand 33. The stand 33 has holes through which it can be fixed with screws relative to the mechanical interface 6 with the medical manipulation robot 3.

Стационарная линейная степень подвижности 34 выполнена в виде механизма линейного перемещения с диапазоном перемещения не менее 200 мм. Указанная степень подвижности 34 выполнена с возможностью управляемого перемещения механизма крепления сменных степеней подвижности 32 вдоль стойки 33. Механизм крепления 32 имеет возможность присоединения сменной высокооборотной вращательной степени подвижности с дрелью 29 или сменной низкооборотной вращательной степени подвижности 36 при помощи четырех стягивающих эксцентриковых зажимов 37. Соединение низкооборотной вращательной степени подвижности 36 и хирургического инструмента 9 выполнено таким образом, что позволяет осуществлять установку доступных хирургических инструментов 9, таких как хирургический метчик 38, хирургическое шило 39, транспедикулярная отвертка 40 используемых для обычных, неавтоматизированных хирургических манипуляций.The stationary linear degree of mobility 34 is implemented in the form of a linear movement mechanism with a range of movement of at least 200 mm. The said degree of mobility 34 is configured to allow controlled movement of the fastening mechanism of the interchangeable degrees of mobility 32 along the post 33. The fastening mechanism 32 has the capability of connecting a replaceable high-speed rotary degree of mobility with a drill 29 or a replaceable low-speed rotary degree of mobility 36 using four tightening eccentric clamps 37. The connection of the low-speed rotary degree of mobility 36 and the surgical instrument 9 is designed in such a way that it allows the installation of available surgical instruments 9, such as a surgical tap 38, a surgical awl 39, a transpedicular screwdriver 40 used for conventional, non-automated surgical manipulations.

На фиг. 2 представлены две конфигурации рабочего органа. На виде А на механизме крепления 32 установлена низкооборотная вращательная степень подвижности 36, на виде Б представлен рабочий орган 1 с установленной низкооборотной степенью подвижности с дрелью 29.Fig. 2 shows two configurations of the working element. In view A, a low-speed rotary degree of freedom 36 is installed on the fastening mechanism 32; in view B, the working element 1 is shown with a low-speed degree of freedom installed with a drill 29.

Низкооборотная вращательная степень подвижности 36 предназначена для приведения хирургического инструмента 9 в движение, она обеспечивает вращение хирургического инструмента 9 вокруг собственной оси. Для достижения необходимого взаимного расположения осей низкооборотной вращательной степени подвижности 36 и инструмента 9 в процессе проведения хирургических манипуляций 10 в состав данной степени подвижности 36 входит механизм подстройки положения хирургического инструмента 35. Линейное перемещение низкооборотной вращательной степени подвижности 36 совместно с хирургическим инструментом 9 реализуется с помощью стационарной линейной степени подвижности 34. Линейная степень подвижности 34 расположена на стойке рабочего органа 33 и закреплена винтами через промежуточные датчики силы 41.The low-speed rotary motion degree 36 is intended to set the surgical instrument 9 in motion; it ensures the rotation of the surgical instrument 9 about its own axis. To achieve the required relative positioning of the axes of the low-speed rotary motion degree 36 and the instrument 9 during surgical manipulations 10, the composition of this motion degree 36 includes a mechanism for adjusting the position of the surgical instrument 35. The linear movement of the low-speed rotary motion degree 36 together with the surgical instrument 9 is realized by means of the stationary linear motion degree 34. The linear motion degree 34 is located on the stand of the working element 33 and is secured with screws through intermediate force sensors 41.

Сменная высокооборотная вращательная степень подвижности с дрелью 29 в составе рабочего органа 1 предназначена для приведения хирургического сверла 63 в движение с большой скоростью. Данная степень подвижности обеспечивает вращение хирургического сверла 63 вокруг собственной оси. Линейное перемещение высокооборотной вращательной степени подвижности 29 совместно с хирургическим сверлом 9 реализуется с помощью стационарной линейной степени подвижности 34.The replaceable high-speed rotary motion stage with drill 29, part of the working element 1, is designed to set surgical drill 63 in motion at high speed. This motion stage enables rotation of surgical drill 63 around its own axis. Linear movement of high-speed rotary motion stage 29, together with surgical drill 9, is achieved via stationary linear motion stage 34.

В следующих абзацах будет дано более подробное описание конструкции рабочего органа со ссылкой на фигуры 3-13.In the following paragraphs, a more detailed description of the design of the working element will be given with reference to Figures 3-13.

На фиг. 3 представлен общий вид стойки 33 входящей в состав рабочего органа 1 для автоматического вкручивания транспедикулярных винтов 18. Стойка 33 служит для крепления и удержания рабочего органа 1 при проведении хирургических манипуляций 10 и закрепляется на механическом интерфейсе 6 медицинского робота 2. Деталь крепления 42, соединенная с крепежной пластиной 43, имеет Г-образную форму с монтажными отверстиями для ее закрепления к механическому интерфейсу 6. Крепежная пластина 43 также снабжена отверстиями для установки разъемов подключения контактов стационарной линейной степени подвижности 61. Крепление 42 устанавливается на пластине 43 при помощи винтов и угловых ребер 44 для повышения жесткости конструкции. С внешней стороны пластины 43 установлено ребро жесткости 45 на которое при помощи винтов устанавливается пластина крепления разъемов 46 для подключения по средствам разъемов сменных вращательных степеней подвижности 62 для силовых и сигнальных проводов управления сменной низкооборотной вращательной степени подвижности 36 или сменной высокооборотной вращательной степенью подвижности с дрелью 29. Подключение линейной степени подвижности 34 осуществляется при помощи разъемов установленных непосредственно в пластину 43. Деталь крепления линейной степени подвижности 47 соединена с пластиной 43 при помощи винтов и угловых ребер 44 для повышения жесткости конструкции и имеет в своем составе концевой выключатель 48 и не менее двух линейных подшипников 49 для обеспечения свободного перемещения направляющих 50 механизма крепления 32. Все детали, описанные выше выполнены из металла, преимущественно из алюминиевого сплава.Fig. 3 shows a general view of the stand 33 included in the working element 1 for automatic screwing in of transpedicular screws 18. The stand 33 serves to fasten and hold the working element 1 during surgical manipulations 10 and is secured to the mechanical interface 6 of the medical robot 2. The fastening part 42, connected to the fastening plate 43, has an L-shape with mounting holes for fastening it to the mechanical interface 6. The fastening plate 43 is also provided with holes for installing connectors for connecting contacts of the stationary linear degree of mobility 61. The fastening 42 is installed on the plate 43 using screws and corner ribs 44 to increase the rigidity of the structure. On the outer side of the plate 43, a stiffening rib 45 is installed onto which, by means of screws, a plate for fastening connectors 46 is mounted for connecting, by means of connectors of replaceable rotational degrees of freedom 62, the power and signal wires for controlling the replaceable low-speed rotational degree of freedom 36 or the replaceable high-speed rotational degree of freedom with a drill 29. The connection of the linear degree of freedom 34 is carried out by means of connectors installed directly in the plate 43. The fastening part of the linear degree of freedom 47 is connected to the plate 43 by means of screws and angular ribs 44 to increase the rigidity of the structure and has in its composition a limit switch 48 and at least two linear bearings 49 to ensure free movement of the guides 50 of the fastening mechanism 32. All the parts described above are made of metal, primarily of an aluminum alloy.

На фиг. 4 представлен общий вид стационарной линейной степени подвижности 34 в парковочном положении с механизмом крепления сменных степеней подвижности 32 входящего в состав рабочего органа 1 для автоматического вкручивания транспедикулярных винтов 18. Линейная степень подвижности 34 обеспечивает линейное перемещение механизма крепления сменных степеней подвижности 32 в возвратно-поступательном направлении. Стационарная линейная степень подвижности 34 с механизмом крепления 32 включает в себя две направляющие 50, жестко закрепленные на крышке датчика 52 и установленные перпендикулярно ей при помощи опор 53. С противоположной стороны направляющих установлены стопорные элементы 54, выполняющие функцию ограничителя хода. Механизм линейного перемещения 51 линейной степени подвижности 34 обеспечивает линейное перемещение механизма крепления 32 совместно с направляющими 50 в возвратно поступательном-направлении. Механизм линейного перемещения 51 соосно жестко закреплен винтами на переходном фланце датчиков 55, на котором зафиксированы не менее трех датчиков силы 41, закрепляемых на плите крепления 47. С другой стороны, к механизму линейного перемещения 51 крепится держатель направляющих 56 снабженный линейными подшипниками 49. В изображенном на фиг. 4 осуществлении изобретения представлена конструкция, в которой в качестве механизма линейного перемещения 51 применен узел редуктора 57 с шарико-винтовой передачей. Вал шарико-винтовой передачи 58 жестко закреплен в крышке датчика 52 по средствам стопорной втулки 59, резьбовой втулки шарико-винтовой передачи 60, установленной в центре крышки 52, и контргайки. Таким образом, дополнительной функцией крышки датчика 52 является место крепление вала шарико-винтовой передачи 58. Датчик 64 соосно крепится к крышке 52 при помощи винтов и используется для определения моментных нагрузок, возникающих на сменной низкооборотной вращательной степени подвижности 36 или сменной высокооборотной вращательной степени подвижности с дрелью 29, которые соосно крепятся механизму крепления 32 по средствам конического переходного элемента 65 с упорами эксцентриковых зажимов 66. Также в конструкцию стационарной линейной степени подвижности 34 встроен датчик линейного перемещения 82, являющийся дополнительным компонентом определения перемещения. В данном варианте исполнения элемент датчика линейного перемещения 83 жестко закреплен на поверхности узел редуктора 57 с помощью крепежной пластины чувствительного элемента датчика 84. Магнитная лента линейного датчика 85 размещается на направляющем рельсе 86, которая перемещается по каретке 87 вместе с механизмом крепления 32 и жестко закреплена на крышке 52 при помощи торцевого фиксатора 88. Каретка 87 крепится к пластине чувствительного элемента датчика поступательного перемещения 84 при помощи крепления каретки 89.Fig. 4 shows a general view of the stationary linear degree of freedom 34 in the parking position with the mechanism for fastening the interchangeable degrees of freedom 32 included in the working element 1 for automatically screwing in the transpedicular screws 18. The linear degree of freedom 34 ensures the linear movement of the mechanism for fastening the interchangeable degrees of freedom 32 in a reciprocating direction. The stationary linear degree of freedom 34 with the fastening mechanism 32 includes two guides 50 rigidly fixed to the cover of the sensor 52 and installed perpendicular to it by means of supports 53. On the opposite side of the guides, locking elements 54 are installed, performing the function of a travel limiter. The linear movement mechanism 51 of the linear degree of freedom 34 ensures the linear movement of the fastening mechanism 32 together with the guides 50 in a reciprocating direction. The linear movement mechanism 51 is coaxially rigidly fixed with screws to the adapter flange of the sensors 55, on which at least three force sensors 41 are fixed, which are fixed on the mounting plate 47. On the other hand, a guide holder 56 equipped with linear bearings 49 is fixed to the linear movement mechanism 51. In the embodiment of the invention shown in Fig. 4, a design is presented in which a gearbox unit 57 with a ball screw transmission is used as the linear movement mechanism 51. The shaft of the ball screw transmission 58 is rigidly fixed in the cover of the sensor 52 by means of a locking sleeve 59, a threaded sleeve of the ball screw transmission 60, installed in the center of the cover 52, and a lock nut. Thus, an additional function of the sensor cover 52 is the place of fastening of the shaft of the ball-screw transmission 58. The sensor 64 is coaxially fastened to the cover 52 by means of screws and is used to determine the moment loads arising on the replaceable low-speed rotary degree of freedom 36 or the replaceable high-speed rotary degree of freedom with a drill 29, which are coaxially fastened to the fastening mechanism 32 by means of a conical transition element 65 with stops of eccentric clamps 66. Also, a linear displacement sensor 82 is built into the design of the stationary linear degree of freedom 34, which is an additional component for determining the displacement. In this embodiment, the element of the linear displacement sensor 83 is rigidly fixed to the surface of the gearbox unit 57 using the fastening plate of the sensitive element of the sensor 84. The magnetic tape of the linear sensor 85 is placed on the guide rail 86, which moves along the carriage 87 together with the fastening mechanism 32 and is rigidly fixed to the cover 52 using the end clamp 88. The carriage 87 is fixed to the plate of the sensitive element of the translational displacement sensor 84 using the carriage fastening 89.

На фиг. 5 показана стационарная линейная степень подвижности 34 в выдвинутом положении, где ΔL - длина «рабочего хода» (выдвижение/втягивания), которая зависит от длины вала шарико-винтовой передачи 58, и длин направляющих 50. В этом положении механизм крепления 32 перемещается таким образом, что сменная низкооборотная вращательная степень подвижности 36 с хирургическим инструментом 9 или сменная высокооборотной вращательная степень подвижности с дрелью 29 занимает рабочую позицию.Fig. 5 shows a stationary linear degree of mobility 34 in the extended position, where ΔL is the length of the “working stroke” (extension/retraction), which depends on the length of the shaft of the ball screw transmission 58 and the lengths of the guides 50. In this position, the fastening mechanism 32 moves in such a way that the replaceable low-speed rotational degree of mobility 36 with the surgical instrument 9 or the replaceable high-speed rotational degree of mobility with the drill 29 occupies the working position.

На фиг. 6 представлен общий вид сменной низкооборотной вращательной степени подвижности 36 входящего в состав рабочего органа 1 для автоматического вкручивания транспедикулярных винтов 18. Вращательная степень подвижности 36 включает механизм вращательного движения 67, который обеспечивает вращение хирургического инструмента 9 вокруг собственной оси. Низкооборотная вращательная степень подвижности 36 включает в себя две направляющие 108, жестко закрепленные на крышке 69 посредством держателей 109 и установленные перпендикулярно ей при помощи опор 70 и кольцеобразного крепежного элемента 71. Механизм подстройки положения хирургического инструмента 35 с креплениями под рамку со сферическими отражателями 31, устанавливается в направляющие 108, обеспечивая возможность совмещения оси вращения каждого хирургического инструмента 9 с осью вращения степени подвижности рабочего органа (компенсация несоосности). С противоположной стороны направляющих 108 установлен стопорный элемент 72, выполняющие функцию ограничителя хода.In Fig. 6 a general view of the replaceable low-speed rotational degree of freedom 36 included in the working element 1 for automatic screwing in of transpedicular screws 18 is shown. The rotational degree of freedom 36 includes a rotational movement mechanism 67, which ensures rotation of the surgical instrument 9 around its own axis. The low-speed rotational degree of freedom 36 includes two guides 108, rigidly fixed to the cover 69 by means of holders 109 and installed perpendicular to it by means of supports 70 and a ring-shaped fastening element 71. The mechanism for adjusting the position of the surgical instrument 35 with fasteners for the frame with spherical reflectors 31 is installed in the guides 108, ensuring the possibility of aligning the axis of rotation of each surgical instrument 9 with the axis of rotation of the degree of freedom of the working element (misalignment compensation). On the opposite side of the guides 108 a locking element 72 is installed, performing the function of a travel limiter.

На фиг. 7 представлен механизм подстройки положения хирургического инструмента 35 с установленным хирургическим инструментом в виде хирургического метчика 38. Посредством данного механизма осуществляется выставление оси хирургического инструмента в двух точках крепления цилиндрическим 103 и коническим 76 подстрочными элементами. Выставление оси осуществляется при помощи установочных винтов 139, с целью компенсации несоосности положения оси хирургического инструмента 9 относительно оси вращения низкооборотной степени подвижности 36.Fig. 7 shows a mechanism for adjusting the position of surgical instrument 35 with a surgical instrument installed in the form of a surgical tap 38. This mechanism is used to adjust the axis of the surgical instrument at two attachment points using cylindrical 103 and conical 76 sub-tapping elements. The axis is adjusted using set screws 139 to compensate for the misalignment of the position of the axis of surgical instrument 9 relative to the rotation axis of the low-speed degree of mobility 36.

Цилиндрический подстроечный элемент 103 обеспечивает первичное смещение инструмента в плоскости, перпендикулярной его оси, что позволяет снизить радиальное биение, при отсутствие внешней нагрузки на инструмент. Конический подстроечный элемент 76 осуществляет окончательную фиксацию положения инструмента в непосредственной близости от его рабочего конца, предотвращая воздействие изгибающих нагрузок, возникающих в процессе проведения хирургических манипуляций. Выставление положения рабочего конца инструмента происходит путем смещения втулки скольжения 74 и цанги 75 в плоскости перпендикулярной оси инструмента. Наличие цанговой направляющей 68 и процесс подстройки повышают жесткость конструкции, что приводит к снижению погрешности позиционирования. Конструкция подстроечных элементов 103 и 76 позволяет компенсировать отклонения в положении хирургического инструмента до начала проведения хирургических манипуляций.Cylindrical adjuster 103 provides initial instrument movement in a plane perpendicular to its axis, reducing radial runout in the absence of external load on the instrument. Conical adjuster 76 provides final instrument positioning in the immediate vicinity of its working end, preventing bending loads that arise during surgical procedures. The working end of the instrument is adjusted by shifting sliding sleeve 74 and collet 75 in a plane perpendicular to the instrument axis. The presence of collet guide 68 and the adjustment process increase the rigidity of the structure, reducing positioning errors. The design of adjusters 103 and 76 allows for compensation for deviations in the surgical instrument's position prior to surgical procedures.

На фиг. 8 представлен общий вид низкооборотной вращательной степени подвижности 36 входящей в состав рабочего органа 1 с установленным хирургическим шилом 39. Фиксация шила 39 обеспечивается креплением 73 и помещением цилиндрической части шила 39 во втулку скольжения 74, которая позволяет осуществлять свободное вращение шила 39 вокруг собственной оси препятствуя возникновению биений и изгиба инструмента 39 при проведении хирургических манипуляций 10. Указанная втулка 74 закреплена в механизме подстройки положения хирургического инструмента 35, состоящей из зажимной цанги 75, конического подстроечного элемента 76, внешнего корпуса цанги 77 и гайки 78. Конический подстроечный элемент 76 выполняет функцию осевого смещения цанги 75 относительно оси внешнего корпуса 77 при помощи установочных винтов с целью компенсации несносности положения оси шила 39 относительно базовой оси вращения низкооборотной вращательной степени подвижности 36. Дополнительно, поверхность внешнего корпуса 77 снабжена 4 резьбовыми отверстиями для установки крепления под рамку со сферическими отражателями 31 в удобном хирургу 79 положении для осуществления процедуры калибровки концевой точки хирургческого инструмента степени подвижности 36 рабочего органа 1.In fig. 8 shows a general view of the low-speed rotary degree of mobility 36 included in the working element 1 with the surgical awl 39 installed. The fixation of the awl 39 is ensured by fastening 73 and placing the cylindrical part of the awl 39 in the sliding sleeve 74, which allows the free rotation of the awl 39 around its own axis, preventing the occurrence of beating and bending of the instrument 39 during surgical manipulations 10. The said sleeve 74 is secured in the mechanism for adjusting the position of the surgical instrument 35, consisting of a clamping collet 75, a conical adjusting element 76, an outer collet casing 77 and a nut 78. The conical adjusting element 76 performs the function of axial displacement of the collet 75 relative to the axis of the outer casing 77 using set screws in order to compensate for the imbalance of the position of the awl 39 axis relative to the base axis of rotation of the low-speed rotary degree of mobility 36. Additionally, the surface of the outer housing 77 is provided with 4 threaded holes for installing a mount for a frame with spherical reflectors 31 in a position convenient for the surgeon 79 to carry out the procedure for calibrating the end point of the surgical instrument of the degree of mobility 36 of the working element 1.

На фиг. 9 представлен общий вид низкооборотной вращательной степени подвижности 36 входящей в состав рабочего органа 1 с установленным хирургическим метчиком 38. Фиксация метчика 38 обеспечивается механизмом крепления 73 и закреплением цилиндрической части метчика 38 через втулку скольжения 74, которая позволяет осуществлять свободное вращение метчика 38 вокруг собственной оси препятствуя возникновению биений и изгиба инструмента 38 при проведении хирургических манипуляций 10.Fig. 9 shows a general view of the low-speed rotary degree of mobility 36 included in the working element 1 with the surgical tap 38 installed. The fixation of the tap 38 is ensured by the fastening mechanism 73 and the fastening of the cylindrical part of the tap 38 through the sliding sleeve 74, which allows the free rotation of the tap 38 around its own axis, preventing the occurrence of beating and bending of the instrument 38 during surgical manipulations 10.

На фиг. 10 представлен общий вид низкооборотной вращательной степени подвижности 36 входящего в состав рабочего органа 1 с установленной транспедикулярной отверткой 40. Фиксация транспедикулярной отвертки 40 обеспечивается механизмом крепления 73 и помещением вращающейся части отвертки 40 в цангу 77, которая позволяет осуществлять свободное вращение отвертки 40 вокруг собственной оси препятствуя возникновению биений и изгиба инструмента 40 при проведении хирургических манипуляций 10. На конце отвертки 40 помещается транспедикулярный винт 18.Fig. 10 shows a general view of the low-speed rotary degree of mobility 36 included in the working element 1 with the installed transpedicular screwdriver 40. The fixation of the transpedicular screwdriver 40 is ensured by the fastening mechanism 73 and the placement of the rotating part of the screwdriver 40 in the collet 77, which allows the free rotation of the screwdriver 40 around its own axis, preventing the occurrence of beating and bending of the instrument 40 during surgical manipulations 10. A transpedicular screw 18 is placed at the end of the screwdriver 40.

На фиг. 11 представлен общий вид высокооборотной степени подвижности с хирургической дрелью 29 входящей в состав рабочего органа 1 с установленным хирургическим сверлом 63. Узел хирургической дрели 29 выполнен в виде хирургической дрели 80, которая обеспечивает вращение хирургического сверла 63 вокруг собственной оси, жестко закрепленной в корпусном элементе 81 при помощи винтов. Дополнительно, поверхность корпуса 81 снабжена 4 резьбовыми отверстиями для установки рамки со сферическими отражателями 110 в удобном хирургу 79 положении для калибровки конечной точки сверла высокооборотной вращательной степени подвижности 29 рабочего органа 1.Fig. 11 shows a general view of the high-speed degree of mobility with a surgical drill 29 included in the working element 1 with a surgical drill 63 installed. The surgical drill unit 29 is designed in the form of a surgical drill 80, which ensures the rotation of the surgical drill 63 around its own axis, rigidly fixed in the housing element 81 by means of screws. In addition, the surface of the housing 81 is provided with 4 threaded holes for installing a frame with spherical reflectors 110 in a position convenient for the surgeon 79 to calibrate the end point of the drill of the high-speed rotational degree of mobility 29 of the working element 1.

Все степени подвижности, фиг. 12-13, рабочего органа 1 за исключением высокооборотной вращательной степени подвижности 29 имеют в своем составе 3 конструктивных элемента: двигатель 91, редуктор 92 и датчик вращательного перемещения 93. Эти элементы обеспечивают линейное перемещение механизма крепления 32 и вращение хирургического инструмента 9. Отличительной особенностью степеней подвижности (фиг. 12-13) является наличие полого вала 94, что позволяет снизить массу рабочего органа 1 и обеспечить вывод вала шарико-винтовой передачи 58 внутри конструкции стационарной линейной степени подвижности 34.All degrees of freedom, Fig. 12-13, of the working element 1, with the exception of the high-speed rotational degree of freedom 29, have 3 structural elements in their composition: a motor 91, a gearbox 92 and a rotational displacement sensor 93. These elements provide linear movement of the fastening mechanism 32 and rotation of the surgical instrument 9. A distinctive feature of the degrees of freedom (Fig. 12-13) is the presence of a hollow shaft 94, which makes it possible to reduce the weight of the working element 1 and to ensure the output of the shaft of the ball-screw transmission 58 inside the structure of the stationary linear degree of freedom 34.

На фиг. 12 представлена конструкция стационарной линейной степени подвижности 34 с пространственным разделением деталей. Она (34) имеет конструкцию, состоящую из корпуса 95 к которому по торцевой поверхности устанавливается двигатель 91 с валом 94, сопрягаемым с валом редуктора 96. Часть корпуса 95 представляет собой посадочную поверхность для редуктора 92 с возможностью крепления крышки редуктора 97. Вал двигателя 94 сопряжен с ротором датчика 97, датчик вращательного перемещения 93 в свою очередь устанавливается непосредственно на торце двигателя 91. Выходной фланец редуктора 92 сопрягается с выходным валом, который представляет собой резьбовую втулку шарико-винтовой передачи 60 установленную через промежуточный элемент 99 и закрытую корпус линейной степени подвижности 101. Вращение резьбовой втулки шарико-винтовой передачи 60 приводит к линейному перемещению вала шарико-винтовой передачи 58 и механизма крепления сменных степеней подвижности 32. С противоположного торца степень подвижности закрыта крышкой 100, к которой крепится держатель направляющих 56.Fig. 12 shows the design of a stationary linear degree of mobility 34 with spatial separation of parts. It (34) has a design consisting of a housing 95 to which a motor 91 with a shaft 94 mated with the shaft of a gearbox 96 is mounted along the end surface. Part of the housing 95 is a mounting surface for a gearbox 92 with the possibility of fastening a gearbox cover 97. The shaft of the motor 94 is mated with the rotor of the sensor 97, the rotational displacement sensor 93 in turn is mounted directly on the end of the motor 91. The output flange of the gearbox 92 is mated with the output shaft, which is a threaded sleeve of a ball screw transmission 60 installed through an intermediate element 99 and a closed housing of a linear degree of freedom 101. Rotation of the threaded sleeve of the ball screw transmission 60 leads to a linear movement of the shaft of the ball screw transmission 58 and the mechanism for fastening interchangeable degrees of freedom 32. From the opposite end, the degree of freedom is closed by a cover 100, to which the guide holder 56 is attached.

На фиг. 13 представлена конструкция сменной низкооборотной вращательной степени подвижности 36 с пространственным разделением деталей. Степень подвижности 36 имеет конструкцию, состоящую из корпуса 95 к которому по торцевой поверхности прикрепляется двигатель 91 с валом 94, сопрягаемым с валом редуктора 96. Часть корпуса 95 представляет собой посадочную поверхность для редуктора 92 с возможностью крепления крышки редуктора 97. Вал двигателя 94 сопряжен с ротором датчика вращательного перемещения 98, сам датчик перемещения 93 в свою очередь устанавливается непосредственно на торце двигателя 91. Выходной фланец редуктора 92 сопрягается с выходным валом степени подвижности 102 снабженным отверстием для установки резьбового подстрочного элемента 103 механизма крепления хирургических инструментов 73 и закрывается крышкой 104. Вращение выходного вала сменной степени подвижности 102 приводит к вращению механизма крепления 73 и хирургического инструмента 9. С противоположного торца узел закрыт крышкой 105, которая благодаря конусной поверхности выступает в качестве центрирующего элемента при установке низкооборотной вращательной степени подвижности 36 на рабочем органе 1.Fig. 13 shows the design of a replaceable low-speed rotary degree of mobility 36 with spatial separation of parts. The degree of freedom 36 has a design consisting of a housing 95 to which a motor 91 with a shaft 94 mated with the shaft of the gearbox 96 is attached along the end surface. Part of the housing 95 is a mounting surface for the gearbox 92 with the possibility of fastening the gearbox cover 97. The motor shaft 94 is mated with the rotor of the rotational displacement sensor 98, the displacement sensor 93 itself, in turn, is mounted directly on the end of the motor 91. The output flange of the gearbox 92 is mated with the output shaft of the degree of freedom 102 provided with an opening for installing a threaded subscript element 103 of the mechanism for fastening surgical instruments 73 and is closed by a cover 104. Rotation of the output shaft of the interchangeable degree of freedom 102 leads to rotation of the fastening mechanism 73 and the surgical instrument 9. From the opposite end, the unit is closed by a cover 105, which, due to its conical surface, acts as a centering element when installing a low-speed rotational degree mobility 36 on working element 1.

На фиг. 14 представлена конструкция хирургических инструментов со съемным креплением к рабочему органу. Хирургический инструмент 9 устанавливается в рабочий орган 1 через съемное крепление 111, которое представляет собой цилиндрическое изделие с резьбой на одном конце (для крепления к ответной части 107 на рабочем органе) и отверстием под инструмент на другом. Фиксация инструмента и самого крепления в рабочем органе происходит посредством зажимных кнопок 106. Предусмотрена установка трех хирургических инструментов: шила 39, метчика 38 и отвертки 40 с транспедикулярным винтом. Так как длина инструментов варьируется - в конструкцию рабочего органа заложены два съемных крепления 111 с различной длиной. Конструкция съемных креплений 111 позволяет быстро сменить, как хирургический инструмент 9, так и само крепление, во время проведения операции, т.к. хирургические инструменты применяются последовательно по установленному хирургом алгоритму проведения хирургических манипуляций по транспедикулярной фиксации позвоночника.Fig. 14 shows the design of surgical instruments with a removable mount to the working element. Surgical instrument 9 is installed in the working element 1 through removable mount 111, which is a cylindrical product with a thread on one end (for attachment to the mating part 107 on the working element) and a hole for the instrument on the other. Fixation of the instrument and the mount itself in the working element is carried out by means of clamping buttons 106. Provision is made for the installation of three surgical instruments: an awl 39, a tap 38 and a screwdriver 40 with a transpedicular screw. Since the length of the instruments varies, two removable mounts 111 with different lengths are included in the design of the working element. The design of removable mounts 111 allows for quick replacement of both surgical instrument 9 and the mount itself during the operation, since the surgical instruments are used sequentially according to the algorithm established by the surgeon for performing surgical manipulations for transpedicular fixation of the spine.

Структурная схема системы управления рабочего органа для проведения автоматизированного вкручивания транспедикулярных винтов представлена на фиг. 15. Она включает в себя управляющий компьютер 112, сопряженный с аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) 113, электронными блоками подачи управляющих сигналов 114, 115, устройством обработки данных с энкодера 118, динамиком 119, клавиатурой 120, мышью 121, экраном 122 и элементами распределения питания 116. Так же управляющий компьютер может быть сопряжен с дополнительными элементами, расширяющими функциональные возможности системы управления такие как фотограмметрическая система, дополнительными системами индикации и любыми другими элементами использующих открытые интерфейсы связи. Задачей управляющего компьютера 112 является сбор данных от всех подключенных устройств и передача управляющих команд в соответствии с управляющей программой, запушенной на данном компьютере. Управляющая программа, представляет собой программный интерфейс взаимодействуя с которой, при помощи клавиатуры 120, мыши 121, экрана 122, хирург может передавать управляющие команды верхнего уровня. Так же, в систему управления входит АЦП 113 сопряженный с управляющим компьютером 112, датчиками силы рабочего органа 41, датчиком момента 64 и элементом распределения питания 116. Задачей АЦП является считывание сигналов с датчиков силы и момента рабочего органа, преобразование данных сигналов в цифровой вид и передача их на управляющий компьютер 112. Помимо АЦП 113 в систему управления электронные блоки подачи управляющих сигналов 114 и 115. Данные электронные блоки сопряжены посредством шины данных с управляющим компьютером 112 и посредством проводов с линейной степенью подвижности и сменной низкооборотной вращательной степенью подвижности рабочего органа 34 и 36. Также, электронный блок подачи управляющих сигналов 2 115 позволяет осуществлять подключение сменной высокооборотной вращательной степени подвижности с дрелью 29. Задачей данных электронных блоков является передача управляющих сигналов на обмотки двигателей степеней подвижности рабочего органа и обеспечение отработки положения обобщенных координат для степеней подвижности в соответствии с данными, приходящими отдатчиков вращательного перемещения, расположенных в рабочем органе. Данные для отработки обобщенных координат приходят от управляющего компьютера 122 в виде заданий текущих значений положения и скорости в соответствии с командами хирурга или в соответствии с алгоритмом синхронного управления степенями подвижности для манипулирования хирургическим инструментом. Элемент распределения питания 116 сопряжен с управляющим компьютером 112, АЦП 113, электронными блоками подачи управляющих сигналов 114, 115, устройством обработки данных с энкодера 118, кнопкой питания 123, кнопкой безопасности 124 и с внешней сетью питания 117. Задачей элемента распределения питания является распределение переменного напряжения для всех элементов системы управления, отключение питания от всех элементов в случае использования кнопки питания 123 и отключения питания от электронных блоков подачи управляющих сигналов с передачей данных о нажатии кнопки безопасности 124 управляющему компьютеру 112 в случае нажатия кнопки безопасности 124. Устройство обработки данных с энкодера 118 сопряжено с датчиком линейного перемещения 83, управляющим компьютером 112. Задачей устройства обработки данных с энкодера является получение данных о положении направляющей 86 вместе с магнитной лентой 85, закрепленной на крышке 52. Таким образом становится возможным измерение линейного перемещения крышки 52, а следовательно соединенного механизма крепления 32 с установленными сменными степенями подвижности. Такой подход позволяет осуществлять измерения рассогласования положения выходного звена линейной степени подвижности и рассчитанного положения по датчику вращательного перемещения, установленного в конструкции линейной степени подвижности 34 с реализацией измерения превышения допустимого значения рассогласования измеренных значений положения.The structural diagram of the control system of the working element for the automated screwing of transpedicular screws is shown in Fig. 15. It includes a control computer 112, coupled with an analog-to-digital converter (ADC) 113, electronic control signal supply units 114, 115, a device for processing data from an encoder 118, a speaker 119, a keyboard 120, a mouse 121, a screen 122 and power distribution elements 116. The control computer can also be coupled with additional elements that expand the functionality of the control system, such as a photogrammetric system, additional display systems and any other elements using open communication interfaces. The task of the control computer 112 is to collect data from all connected devices and transmit control commands in accordance with the control program running on this computer. The control program is a software interface, interacting with which, using the keyboard 120, mouse 121, screen 122, the surgeon can transmit high-level control commands. Also, the control system includes an ADC 113 interfaced with a control computer 112, force sensors of the working element 41, a torque sensor 64 and a power distribution element 116. The task of the ADC is to read signals from the force and torque sensors of the working element, convert these signals into digital form and transmit them to the control computer 112. In addition to the ADC 113, the control system includes electronic units for supplying control signals 114 and 115. These electronic units are interfaced via a data bus with the control computer 112 and via wires with a linear degree of freedom and a replaceable low-speed rotational degree of freedom of the working element 34 and 36. Also, the electronic unit for supplying control signals 2 115 allows for the connection of a replaceable high-speed rotational degree of freedom with a drill 29. The task of these electronic units is to transmit control signals to the windings of the motors of the degrees of freedom of the working element and ensure the processing of the position of the generalized coordinates for the degrees of freedom in In accordance with data received from the rotary motion sensors located in the working element. Data for processing the generalized coordinates comes from the control computer 122 in the form of current position and velocity values in accordance with the surgeon's commands or in accordance with the synchronous motion control algorithm for manipulating the surgical instrument. The power distribution element 116 is interfaced with the control computer 112, the ADC 113, the electronic control signal supply units 114, 115, the encoder data processing device 118, the power button 123, the safety button 124 and the external power supply network 117. The task of the power distribution element is to distribute alternating voltage to all elements of the control system, to disconnect the power from all elements in the case of using the power button 123 and to disconnect the power from the electronic control signal supply units with the transmission of data about pressing the safety button 124 to the control computer 112 in the case of pressing the safety button 124. The encoder data processing device 118 is interfaced with the linear displacement sensor 83, the control computer 112. The task of the encoder data processing device is to receive data on the position of the guide 86 together with the magnetic tape 85 fixed on the cover 52. In this way, it becomes possible to measure the linear displacement of the cover 52, and consequently Connected fastening mechanism 32 with installed interchangeable degrees of freedom. This approach allows for measuring the misalignment of the output link of the linear degree of freedom and the calculated position using the rotational displacement sensor installed in the structure of the linear degree of freedom 34, with the implementation of measuring the excess of the permissible value of the misalignment of the measured position values.

Структурная схема электрических элементов, входящих в состав стационарной поступательной и низкооборотной вращательной степеней подвижности рабочего органа представлена на фиг. 16. На корпусе степени подвижности располагаются 2 коннектора. Силовой коннектор 124 переназначен для сопряжения электронного блока подачи управляющих сигналов с обмотками двигателя. Сигнальный коннектора 125 предназначен для сопряжения электронного блока подачи управляющих сигналов с датчиками измерения вращательного положения степени подвижности. Сопрягающая плата 126 является элементом, позволяющим удобно вывести провода от коннекторов ко всем элементам степени подвижности. Она сопряжена посредством отдельных проводов с силовым коннектором 124 и сигнальным коннектором 125, а также посредством дополнительных шлейфов с сенсорными элементами двигателя 127, датчиком углового перемещения 93 и посредством силовых проводов с обмотками двигателя 127.The structural diagram of the electrical components included in the stationary translational and low-speed rotary degrees of freedom of the working element is shown in Fig. 16. Two connectors are located on the degree of freedom housing. Power connector 124 is repurposed for coupling the electronic control signal supply unit with the motor windings. Signal connector 125 is intended for coupling the electronic control signal supply unit with the sensors measuring the rotational position of the degree of freedom. Interfacing board 126 is an element that allows for the convenient routing of wires from the connectors to all elements of the degree of freedom. It is coupled via separate wires to power connector 124 and signal connector 125, as well as via additional cables to the sensor elements of motor 127, angular displacement sensor 93, and via power wires to the windings of motor 127.

Осуществление автоматизированного вкручивания транспедикулярного винта с помощью рабочего органа происходит путем использования способа его применения, включающего в себя ряд процедур, которые могут быть выполнены как отдельно, так и в определенной последовательности.The automated screwing of a transpedicular screw using a working element is carried out by using a method of its application, which includes a number of procedures that can be performed either separately or in a certain sequence.

Первоначальной процедурой является процедура запуска системы управления и предварительного выбора параметров используемых хирургических инструментов. Данная процедура включает в себя два этапа. На первом этапе осуществляется запуск системы управления рабочего органа посредством нажатия хирургом на кнопку питания. На втором этапе хирург посредством устройств ввода в виде клавиатуры, мыши и экрана осуществляет взаимодействие с программным интерфейсом управляющей программы и производит выбор хирургических инструментов, которые будут использоваться во время операции с указанием типа хирургичекого инструмента и параметров хирургического инструмента в соответствии с планом операции. Далее осуществляется выбор используемого транспедикулярного винта с указанием его параметров. После чего хирург осуществляет настройку параметров для профилей безопасности по зависимости момент/глубина для каждого выбранного инструмента.The initial procedure involves starting the control system and pre-selecting the parameters of the surgical instruments used. This procedure consists of two stages. In the first stage, the surgeon starts the control system of the working element by pressing the power button. In the second stage, the surgeon interacts with the control software interface using input devices (keyboard, mouse, and screen) and selects the surgical instruments to be used during the operation, specifying the type of surgical instrument and its parameters in accordance with the surgical plan. Next, the pedicle screw to be used is selected and its parameters are specified. The surgeon then configures the parameters for the torque/depth safety profiles for each selected instrument.

После этого, в случае несовмещения оси вращения хирургического инструмента с осью степени подвижности, происходит техническая наладка оборудования. Даная процедура включает в себя процесс подстройки положения хирургического инструмента. Процесс начинается с установки крепления 73 в резьбовой подстроечный элемент 103. Четыре установочных винта 139, размещенные на радиальной поверхности выходного вала 102, используются для осуществления смещения элемента 103 в плоскости, перпендикулярной оси хирургического инструмента 9, до достижения радиального биения на креплении 73, не превышающего 100 мкм. Измерение биения производится с использованием стрелочного индикатора. После достижения требуемой величины биения в крепление 73 устанавливается хирургический инструмент 9, который крепится через втулку 74 в цанговой направляющей 68, представляя вторичную точку крепления и подстройки положения инструмента 9. Продолжение подстройки положения инструмента 9 с использованием винтов включает введение цилиндрической части инструмента 9 во втулку скольжения 74, которая затем фиксируется в цанге 75, входящей в состав цанговой направляющей 68. Конический подстроечный элемент 76 осуществляет осевое смещение цанги 75 в плоскости, перпендикулярной оси инструмента 9, с помощью регулировки установочными винтами 139 находящимся в внешнем корпусе цанги 77, обеспечивая компенсацию отклонений от базовой оси вращения подвижного узла 36. После достижения радиального биения на рабочем конце инструмента 9, не превышающего 100 мкм, установочные винты затягиваются для фиксации всех компонентов цанговой направляющей 68 в требуемом положении, обеспечивая фиксированное положение оси инструмента 9 относительно базовой оси вращения.Following this, if the surgical instrument's axis of rotation is not aligned with the axis of the degree of freedom, the equipment undergoes technical adjustment. This procedure involves adjusting the surgical instrument's position. The process begins with installing mount 73 into threaded adjusting element 103. Four set screws 139, located on the radial surface of output shaft 102, are used to shift element 103 in a plane perpendicular to the axis of surgical instrument 9 until the radial runout on mount 73 does not exceed 100 µm. Runout is measured using a dial indicator. After achieving the required runout value, a surgical instrument 9 is installed in the fastening 73, which is secured through the sleeve 74 in the collet guide 68, representing a secondary point of attachment and adjustment of the position of the instrument 9. Continuing to adjust the position of the instrument 9 using screws includes introducing the cylindrical part of the instrument 9 into the sliding sleeve 74, which is then fixed in the collet 75, which is part of the collet guide 68. The conical adjusting element 76 carries out axial displacement of the collet 75 in a plane perpendicular to the axis of the instrument 9, by adjusting the set screws 139 located in the outer housing of the collet 77, providing compensation for deviations from the base axis of rotation of the movable unit 36. After achieving a radial runout at the working end of the instrument 9 that does not exceed 100 μm, the set screws are tightened to fix all components of the collet guide 68 in the required position, providing fixed position of the tool axis 9 relative to the base axis of rotation.

Следующей процедурой является процедура линейного подвода и отвода вращательных степеней подвижности. Процедура линейного подвода и отвода вращательных степеней подвижности рабочего органа представляет собой управление рабочим органом с целью перемещения сменных вращательных степеней подвижности путем изменения положения выходного звена линейной степени подвижности, на которой они крепятся. Хирург, используя систему управления, осуществляет взаимодействие с программным интерфейсом и посредством мыши, клавиатуры и экрана задает требуемое положение для линейной степени подвижности инструмента. Информация о положении инструмента и его необходимом перемещении отображается на экране, что позволяет хирургу точно направлять инструмент. В ответ на команды система управления перемещает инструмент линейно, обеспечивая его точное позиционирование. Это может включать как мелкие, так и более крупные корректировки положения, которые необходимы для выполнения различных этапов операции. Важным аспектом процедуры является возможность хирурга контролировать и корректировать линейное положение инструмента в реальном времени, обеспечивая безопасность путем возможности программной остановки движения или нажатия кнопки безопасности.The next procedure is the linear approach and retraction of the rotary degrees of freedom. This procedure involves controlling the working element to move interchangeable rotary degrees of freedom by changing the position of the output link of the linear degree of freedom to which they are attached. Using the control system, the surgeon interacts with the software interface and, using the mouse, keyboard, and screen, sets the desired position for the instrument's linear degree of freedom. Information about the instrument's position and its required movement is displayed on the screen, allowing the surgeon to precisely guide the instrument. In response to commands, the control system moves the instrument linearly, ensuring its precise positioning. This may include both minor and major positional adjustments necessary to perform various stages of the surgery. An important aspect of the procedure is the surgeon's ability to monitor and adjust the instrument's linear position in real time, ensuring safety by programmatically stopping the movement or pressing a safety button.

Во время проведения операции хирургу необходимо осуществлять замену хирургического инструмента на сменной низкооборотной степени подвижности. В этом случае производится процедура замены хирургического инструмента, включающая ручную замену хирургом транспедикулярной отвертки, хирургического шила или хирургического метчика путем взаимодействия с механизмом крепления хирургических инструментов. Сначала хирург останавливает работу степеней подвижности рабочего органа 1 и позиционирует рабочий орган 1 в положение обеспечивая свободный доступ к механизму крепления 32. Затем он мануально осуществляет работу с механизмом крепления инструмента, который включает съемное крепление хирургического инструмента 111 зажимные кнопки 106 и резьбовой подстрочный элемент 107. Хирург удерживает зажимную кнопку 106 и выкручивает съемное крепление хирургического инструмента, если необходимо установить инструмент другой длинны, и осуществляет замену на новое съемное крепление 111 другой длинны с необходимым установленным инструментом. В случае замены хирургического инструмента идентичной длинны он мануально взаимодействует со съемным креплением 111 хирургического инструмента и удерживая зажимную кнопку крепления меняет хирургических инструмент на требуемый. Хирург вручную фиксирует инструмент, убедившись, что все зажимы и винтовые крепления надежно зафиксированы. Далее в программном интерфейсе хирург осуществляет выбор инструмента, который был им установлен для изменения параметров, использующихся при осуществлении автоматического вкручивания винтов. После этого он проверяет работу нового инструмента на низкооборотной вращательной степени подвижности, путем подачи управляющих команд через программный интерфейс на вращения ее по часовой и против часов стрелке на один полный оборот, чтобы убедиться в его корректной установке и функциональности.During surgery, the surgeon must replace a surgical instrument with a replaceable, low-speed articulated device. In this case, the surgical instrument replacement procedure involves manually replacing a transpedicular screwdriver, surgical awl, or surgical tap by the surgeon using the surgical instrument fastening mechanism. First, the surgeon stops the articulated device 1 and positions the device 1 to provide free access to the fastening mechanism 32. The surgeon then manually operates the instrument fastening mechanism, which includes the removable surgical instrument fastener 111, clamping buttons 106, and threaded under-line element 107. The surgeon holds clamping button 106 and unscrews the removable surgical instrument fastener if an instrument of a different length needs to be installed, and then replaces it with a new removable fastener 111 of a different length with the required instrument installed. When replacing a surgical instrument of identical length, the surgeon manually interacts with the removable surgical instrument mount 111 and, by holding the clamping button, exchanges the surgical instrument for the desired one. The surgeon manually secures the instrument, ensuring all clamps and screw fasteners are securely fastened. Next, in the software interface, the surgeon selects the instrument they installed to change the parameters used for automatic screw insertion. Afterward, they test the new instrument at a low-speed rotational speed by sending control commands through the software interface to rotate it clockwise and counterclockwise one full revolution to ensure its proper installation and functionality.

Во время операции требуется осуществить смену низкооборотных хирургических инструментов таких как хирургическое шило, хирургический метчик и транспедикулярную отвертку на высокооборотный хирургический инструмент в виде сверла. В таком случае выполняется процедура установки в рабочем органе требуемой степени подвижности. Хирург мануально осуществляет размыкание механизма крепления 32 путем ослабления четырех стягивающих эксцентриковых зажимов 37. Далее он осуществляет снятие установленной степени подвижности. После чего устанавливает новую степень подвижности с заранее откалиброванным хирургическим инструментом путем позиционирования ее в механизме крепления 32 в такой же пространственной ориентации, как она была расположена во время калибровки, и закрытия четырех стягивающих эксцентриковых зажимов 37. После чего происходит подключение коннекторов устанавливаемой степени подвижности в разъемы подключения сменных вращательных степеней подвижности 62. Далее в программном интерфейсе хирург осуществляет выбор инструмента, который был им установлен для изменения параметров, использующихся при осуществлении автоматизированного вкручивания винтов. После этого он проверяет работу степени подвижности, путем подачи управляющих команд через программный интерфейс на вращения ее по часовой и против часов стрелке на 360 градусов, чтобы убедиться в его корректной установке и функциональности.During surgery, low-speed surgical instruments such as a surgical awl, surgical tap, and transpedicular screwdriver must be replaced with a high-speed surgical instrument such as a drill. In this case, the desired degree of motion is set in the working element. The surgeon manually unlocks the fastening mechanism 32 by loosening four eccentric clamps 37. Next, they release the set degree of motion. They then set a new degree of motion with a pre-calibrated surgical instrument by positioning it in the fastening mechanism 32 in the same spatial orientation as it was located during calibration and closing the four eccentric clamps 37. The connectors for the desired degree of motion are then connected to the connectors for the interchangeable rotational degrees of motion 62. Next, in the software interface, the surgeon selects the instrument they installed to change the parameters used for automated screw insertion. After this, he tests the operation of the degree of freedom by sending control commands through the software interface to rotate it clockwise and counterclockwise by 360 degrees to ensure its correct installation and functionality.

Осуществление автоматизированного вкручивания транспедикулярного винта с помощью рабочего органа, происходит с применением интраоперационной навигации. Под навигацией понимается сопоставление текущего положения и ориентации хирургического инструмента с запланированной в предоперационном режиме траекторией. Для получения данных о положении и ориентации хирургических инструментов, установленных на рабочий орган по транспедикулярной фиксации, в систему управления рабочего органа к управляющему компьютеру, подключается стереофотограмметрическая система, посредством проводного интерфейса. В системе управления рабочего органа происходит получение, обработка и запись данных о положении и ориентации сверла или хирургических инструментов (шило, метчик и отвертка с установленным транспедикулярным винтом).Automated insertion of a transpedicular screw using an end-effector is accomplished using intraoperative navigation. Navigation refers to the comparison of the current position and orientation of the surgical instrument with the preoperatively planned trajectory. To obtain data on the position and orientation of the surgical instruments installed on the end-effector for transpedicular fixation, a stereophotogrammetric system is connected to the end-effector control system via a wired interface. The end-effector control system receives, processes, and records data on the position and orientation of the drill or surgical instruments (awl, tap, and screwdriver with the transpedicular screw installed).

На фигуре 17 показан вид рабочего органа с фотограмметрическими рамками для определения положения и ориентации. Определение положения и ориентации происходит посредством использования измерительной системы, состоящей из следующих компонентов: стереокамера, референсная рамка со сферическими отражателями 129, одной рамки для остистого отростка оперируемого позвонка 130 и рамок на рабочем органе, устанавливаемых на высокооборотной и низкооборотной степенях подвижности. Референсная рамка со сферическими отражателями закрепляется на неподвижном основании 90 и является нулевой точкой для всех остальных рамок. Рамка со сферическими отражателями для остистого отростка оперируемого позвонка 130 закрепляется на позвонке, посредством зажимного устройства и позволяет отлеживать относительные перемещения позвонка при проведении хирургических манипуляций. Крепление рамок со сферическими отражателями к рабочему органу, происходит посредством винтового соединения через отверстия в рамках и резьбовые отверстия на цилиндрических поверхностях высокооборотной и низкооборотной степенях подвижности. Рамки со сферическими отражателями изготавливаются из автоклавируемой и биоинертной пластмассы, посредством аддитивной технологии, что позволяет использовать их при проведении операции.Figure 17 shows a view of the working element with photogrammetric frames for determining the position and orientation. The position and orientation are determined using a measuring system consisting of the following components: a stereo camera, a reference frame with spherical reflectors 129, one frame for the spinous process of the operated vertebra 130, and frames on the working element, installed at the high-speed and low-speed degrees of mobility. The reference frame with spherical reflectors is fixed to a fixed base 90 and serves as a zero point for all other frames. The frame with spherical reflectors for the spinous process of the operated vertebra 130 is fixed to the vertebra using a clamping device and allows for tracking the relative movements of the vertebra during surgical manipulations. The fastening of the frames with spherical reflectors to the working element occurs by means of a screw connection through holes in the frames and threaded holes on the cylindrical surfaces of the high-speed and low-speed degrees of mobility. Frames with spherical reflectors are made of autoclavable and bioinert plastic using additive technology, which allows them to be used during surgery.

Для осуществления интраоперационной навигации необходимо провести процедуру калибровки ориентации и положения концевой точки требуемого сверла и требуемых хирургических инструментов с установленными рамками со сферическими отражателями. Данная процедура содержит ряд этапов необходимых для последующего преобразования положения рамки со сферическими отражателями 31, расположенной на высокооборотной степени подвижности 110 или низкооборотной степени подвижности 36, в положение концевой точки сверла или хирургического инструмента и определения его оси. Калибровка происходит с установленным на рабочий орган хирургическим инструментом и рамкой со сферическими отражателями 110, сам рабочий орган должен быть установлен на механический интерфейс медицинского манипуляционного робота 6 и зафиксирован в неподвижном положении. Процесс калибровки происходит с применением референсной рамки со сферическими отражателями 129, стереокамеры и программного обеспечения стереофотограмметрической навигационной системы, по установленному алгоритму калибровки.To implement intraoperative navigation, it is necessary to calibrate the orientation and endpoint position of the required drill and the required surgical instruments with their spherical reflector frames installed. This procedure involves a series of steps necessary for the subsequent transformation of the position of the spherical reflector frame 31, located at the high-speed degree of freedom 110 or the low-speed degree of freedom 36, into the endpoint position of the drill or surgical instrument and the determination of its axis. Calibration occurs with the surgical instrument and the spherical reflector frame 110 mounted on the working element. The working element itself must be mounted on the mechanical interface of the medical manipulation robot 6 and fixed in a stationary position. The calibration process is performed using a reference spherical reflector frame 129, a stereo camera, and the stereophotogrammetric navigation system software, according to the established calibration algorithm.

В рамках процедуры калибровки ориентации и положения концевой точки есть разделение для низкооборотной вращательной степени подвижности и высокооборотной степени подвижности. В случае калибровки высокооборотной степени подвижности происходит выполнение следующих этапов калибровки: Этап калибровки положения концевой точки сверла происходит с использованием референсной рамки со сферическими отражателями 129 установленной на высокооборотной степени подвижности, используя программное обеспечение стереофотограмметрической системы. Для начала концевая точка требуемого сверла, установленного на высокооборотную степень подвижности, помещается в лунку 131 на референсной рамке со сферическими отражателями 129. Далее высокооборотная степень с установленным сверлом вручную вращается, с неподвижным удержанием концевой точки сверла в лунке на референсной рамке со сферическими отражателями и производится непрерывная запись данных о его положении. Этап калибровки ориентации сверла происходит на референсной рамке 129 с использованием дополнительной направляющей призмы 132. Требуемое сверло, установленное на высокооборотную степень подвижности, помещается своей внешней цилиндрической поверхностью на губки дополнительной направляющей призмы 132, и далее перемещается вдоль продольной оси дополнительной направляющей призмы 132 с записью положения нескольких точек (от 3 до 5), по которым рассчитывается вектор оси сверла.The endpoint orientation and position calibration procedure is divided into low-speed rotary motion and high-speed rotary motion. For high-speed motion calibration, the following calibration steps are performed: The drill endpoint position calibration step is performed using a 129-mm spherical reflector reference frame mounted on the high-speed motion, using the stereophotogrammetric system software. First, the endpoint of the desired drill, mounted on the high-speed motion, is placed in well 131 on the 129-mm spherical reflector reference frame. Next, the high-speed motion frame with the drill mounted is manually rotated, holding the drill endpoint stationary in the well on the spherical reflector reference frame, and its position data is continuously recorded. The drill orientation calibration stage takes place on the reference frame 129 using the additional guide prism 132. The required drill, set to a high-speed degree of mobility, is placed with its outer cylindrical surface on the jaws of the additional guide prism 132, and then moves along the longitudinal axis of the additional guide prism 132 with the position of several points (from 3 to 5) recorded, from which the drill axis vector is calculated.

В случае калибровки низкооборотной степени подвижности происходит выполнение следующих этапов калибровки: Этап калибровки положения концевой точки хирургического инструмента происходит с использованием референсной рамки со сферическими отражателями 129, используя программное обеспечение стереофотограмметрической системы. Для начала концевая точка требуемого хирургического инструмента, установленного на низкооборотной степень подвижности, помещается в лунку 124 на референсной рамке со сферическими отражателями 122. Далее низкооборотная степень с установленным хирургическим инструментом вручную вращается, с неподвижным удержанием концевой точки хирургического инструмента в лунке на референсной рамке со сферическими отражателями и производится непрерывная запись данных о его положении. Этап калибровки ориентации хирургического инструмента происходит на референсной рамке 129 с использованием дополнительной направляющей призмы 132. Требуемый хирургический инструмент, установленный на низкооборотую степень подвижности, помещается своей цилиндрической поверхностью на губки дополнительной направляющей призмы 132, и далее перемещается вдоль продольной оси дополнительной направляющей призмы 132 с записью положения нескольких точек (от 3 до 5), по которым рассчитывается вектор оси хирургического инструмента.When calibrating a low-speed degree of motion, the following calibration steps are performed: The surgical instrument endpoint position calibration step is performed using a reference frame with spherical reflectors 129, utilizing the stereophotogrammetric system software. First, the endpoint of the desired surgical instrument, mounted on the low-speed degree of motion, is placed in well 124 on the reference frame with spherical reflectors 122. Next, the low-speed degree with the surgical instrument mounted is manually rotated, holding the endpoint of the surgical instrument motionless in the well on the reference frame with spherical reflectors, and its position data is continuously recorded. The stage of calibration of the orientation of the surgical instrument occurs on the reference frame 129 using the additional guide prism 132. The required surgical instrument, set to a low-speed degree of mobility, is placed with its cylindrical surface on the jaws of the additional guide prism 132, and then moves along the longitudinal axis of the additional guide prism 132 with the recording of the position of several points (from 3 to 5), by which the vector of the axis of the surgical instrument is calculated.

Перед началом хирургической манипуляции хирург должен провести процедуру запуска системы управления в тестовом режиме. Данная проверка состоит из проверки работоспособности систем работы в автоматизированном режиме и проверки кнопки безопасности. Проверка работоспособности осуществляется путем предварительного запуска хирургом рабочего органа в тестовом режиме через устройства ввода системы управления в виде клавиатуры, мыши, экрана, и программного интерфейса системы управления. Проверка работы кнопки безопасности заключается в нажатии кнопки безопасности во время осуществления запуска рабочего органа в тестовом режиме с визуальным контролем индикации и остановки движения для выбранной конфигурации рабочего органа.Before commencing a surgical procedure, the surgeon must perform a test run of the control system. This test consists of checking the functionality of the automated operating systems and testing the safety button. The test is performed by the surgeon first starting the working element in test mode via the control system input devices (keyboard, mouse, screen, and control system software interface). The safety button operation test consists of pressing the safety button while starting the working element in test mode, visually monitoring the indication and stopping the movement for the selected working element configuration.

Описанные ранее процедуры позволяют перейти к проведению автоматизированных хирургических манипуляций с использованием алгоритма синхронного управления степенями подвижности для манипулирования хирургическим инструментом, с контролем превышения значений сил и моментов по заданным заранее границам профилей безопасности для зависимости момент/глубина. Для этого по составленному плану операции осуществляется подвод рабочего органа в требуемое начальное положение.The procedures described previously allow for automated surgical procedures using a synchronous motion control algorithm for surgical instrument manipulation, with monitoring for force and moment exceedances within preset safety profile limits for the torque/depth relationship. To achieve this, the working element is brought to the required initial position according to the surgical plan.

Дополнительной возможностью является использование стереофотограмметрической навигационной системы в совокупности с сенсорными системами рабочего органа. Подключенная к управляющему компьютеру фотограмметрическая система позволяет через программу управления осуществлять контроль по положению и ориентации рабочего органа с хирургическим инструментом. Данные о положении и ориентации хирургического инструмента при проведении хирургических манипуляций по транспедикулярной фиксации используются для ряда целей. Во-первых, они служат основой для наведения хирургического инструмента или транспедикулярного винта на заданную траекторию, что обеспечивает точное выполнение хирургических манипуляций. Также, эти данные могут быть использованы вместе с данными от датчиков положения рабочего органа для визуализации в реальном времени, позволяя хирургам наблюдать за процессом и делать корректировки в случае необходимости. Объединение данных о положении и ориентации хирургического инструмента, получаемых со стереофотограмметрической системы, с данными с датчиков положения рабочего органа и с данными о силах и крутящем моменте, возникающих при деформации костной ткани позвонка режущей кромкой сверла или хирургического инструмента необходимо для определения силовых параметров костных тканей, по которым происходит анализ костных тканей для обеспечения контроля за проведением автоматизированного вкручивания с применением рабочего органа для транспедикулярной фиксации.An additional option is the use of a stereophotogrammetric navigation system in conjunction with the sensor systems of the end-effector. Connected to the control computer, the photogrammetric system enables control of the position and orientation of the end-effector and the surgical instrument via the control program. Data on the position and orientation of the surgical instrument during transpedicular fixation procedures is used for several purposes. Firstly, it serves as the basis for guiding the surgical instrument or transpedicular screw along a specified trajectory, ensuring precise surgical procedures. This data can also be used in conjunction with data from the end-effector position sensors for real-time visualization, allowing surgeons to monitor the process and make adjustments if necessary. The combination of data on the position and orientation of the surgical instrument obtained from the stereophotogrammetric system with data from the position sensors of the working element and with data on the forces and torque arising from the deformation of the bone tissue of the vertebra by the cutting edge of the drill or surgical instrument is necessary to determine the force parameters of the bone tissue, according to which the analysis of the bone tissue is carried out to ensure control over the implementation of automated screwing using the working element for transpedicular fixation.

Силовые параметры костных тканей и фантомов рассчитываются на основе зависимости крутящего момента вдоль продольной оси хирургического инструмента или транспедикулярного винта от его глубины захода (фиг. 18), рассчитанного на основе данных о положении со стереофотограмметрической системы и данных с датчиков положения рабочего органа 133. Силовые параметры представляют собой параметры средней линии 134 данной зависимости, представленные в виде коэффициента наклона и значения смещения:The force parameters of bone tissues and phantoms are calculated based on the dependence of the torque along the longitudinal axis of a surgical instrument or transpedicular screw on its insertion depth (Fig. 18), calculated based on position data from a stereophotogrammetric system and data from the position sensors of the working element 133. The force parameters are the parameters of the midline 134 of this dependence, presented in the form of a slope coefficient and a displacement value:

T=K*L+b,T=K*L+b,

где Т - крутящий момент вдоль продольной оси хирургического инструмента или транспедикулярного винта, Н*м; K - коэффициент наклона средней линии зависимости крутящего момента от глубины захода, Н*м/мм; L - глубина захода хирургического инструмента или транспедикулярного винта в позвонок, мм; b - значения смещения средней линии зависимости крутящего момента от глубины захода, Н*м.where T is the torque along the longitudinal axis of the surgical instrument or transpedicular screw, N*m; K is the slope coefficient of the midline dependence of the torque on the depth of entry, N*m/mm; L is the depth of entry of the surgical instrument or transpedicular screw into the vertebra, mm; b is the values of the shift of the midline dependence of the torque on the depth of entry, N*m.

Для костной ткани существуют свои граничные значения силовых параметров 135. В рамках которой, производимую хирургическую манипуляцию можно считать безопасной и успешной. В случае выхода за установленные граничные значения 138, 139, проводимая хирургическая манипуляция должна быть остановлена. Дополнительными параметрами для оценки хирургических манипуляций по транспедикулярной фиксации позвоночника являются максимальный крутящий момент 136 и максимальная глубина захода хирургического инструмента или транспедикулярного винта 137.Bone tissue has its own limiting force parameters 135. Within these limits, any surgical procedure can be considered safe and successful. If the established limiting values 138, 139 are exceeded, the surgical procedure should be stopped. Additional parameters for evaluating surgical procedures involving transpedicular spinal fixation include the maximum torque 136 and the maximum insertion depth of the surgical instrument or transpedicular screw 137.

Изменяя параметры управления рабочим органом - возможно изменение зависимости крутящего момента от глубины захода хирургического инструмента, а, следовательно, и силовых параметров хирургической манипуляции. Основными параметрами, которые будут влиять на процесс являются: крутящий момент вращения и линейная сила введения сверла или хирургического инструмента. Также на характеристику влияет скорость вращения и скорость подачи сверла или хирургического инструмента.By changing the control parameters of the working element, it is possible to alter the relationship between torque and the insertion depth of the surgical instrument, and, consequently, the force parameters of the surgical procedure. The main parameters that will influence the process are the rotational torque and the linear insertion force of the drill or surgical instrument. The rotation speed and feed rate of the drill or surgical instrument also affect the characteristic.

На базе зависимости крутящего момента от глубины захода хирургического инструмента реализуется алгоритм управления рабочим органом. Алгоритм управления рабочего органа для проведения автоматизированного вкручивания транспедикулярных винтов представлен на фигуре 19. На первом этапе осуществляется задание параметров винта используемого при осуществлении процесса автоматизированного вкручивания транспедикулярного винта. В качестве параметров винта используются такие значения как длина винта, диаметр винта, шаг резьбы винта, профиль резьбы винта, а также дополнительные параметры в случае использования специализированных типов винтов. Далее (Этап 2) происходит задание глубины захода винта и характеристик предельных значений момента в соответствии с характеристикой момент-глубина захода винта. На этапе 3 происходит преобразование полученных параметров в профили скоростей и положений для степеней подвижности рабочего органа с выбором значений для профилей скоростей и положений с учетом реализации синхронного управления степенями подвижности. На следующем этапе происходит формирование массивов значение-время для профилей скорости, положения, силы и момента (Этап 4). Далее запускается цикл отработки траекторий (Этап 5) в соответствии с количеством значений, полученных на этапе формирования массива. Для каждой дискреты времени осуществляется задание текущего значения из полученных профилей скорости и положения (Этап 6) после чего осуществляется считывание и логирование данных со всех датчиков рабочего органа (Этап 7). Накопленные данные могут в последующем так же быть использованы для построения зависимостей момент/длина вкручивания. Следующим этапом идет проверка текущего значения момента и силы (Этап 8) с силомоментных датчиков с проверкой на превышение максимально-допустимых значений. В случае если превышения нет, происходит увеличения цикла (Этап 13) на 1 и переход к отработке, следующей дискреты положения и скорости. В случае завершения цикла, происходит индикация о завершении цикла (Этап 14), и система управления рабочего органа завершает свою работу. В случае же если во время работы цикла текущее значение профилей силы и момента превышают допускаемое значение, то происходит прерывание работы алгоритма (Этап 9) после чего запускается подпрограмма устранения неисправности (Этап 10). В случае если неисправность устранена, то происходит возвращение на этап задания текущего значения профилей скорости и положения в соответствии с данным в массиве. Иначе происходит индикация об ошибке во время отработки траектории (Этап 12).The working element control algorithm is implemented based on the dependence of torque on the surgical instrument insertion depth. The working element control algorithm for automated transpedicular screw insertion is shown in Figure 19. In the first stage, the screw parameters used for automated transpedicular screw insertion are specified. These parameters include screw length, screw diameter, screw thread pitch, screw thread profile, and additional parameters for specialized screw types. Next (Stage 2), the screw insertion depth and torque limit characteristics are specified in accordance with the torque-insertion depth characteristic. In Stage 3, the obtained parameters are converted into velocity and position profiles for the working element's degrees of freedom, with values selected for the velocity and position profiles taking into account the implementation of synchronous control of the degrees of freedom. The next stage involves the formation of value-time arrays for the velocity, position, force, and torque profiles (Stage 4). Next, the trajectory processing cycle is launched (Stage 5) in accordance with the number of values obtained during the array generation stage. For each time step, the current value is set from the obtained speed and position profiles (Stage 6), after which data from all working element sensors is read and logged (Stage 7). The accumulated data can also be subsequently used to construct torque/screw-in length dependencies. The next step is to check the current torque and force values (Stage 8) from the force-torque sensors, checking for exceeding the maximum permissible values. If no exceedance is detected, the cycle is incremented (Stage 13) by 1, and processing of the next position and speed step is continued. If the cycle is completed, an indication of cycle completion occurs (Stage 14), and the working element control system terminates. If, during the cycle, the current values of the force and torque profiles exceed the permissible values, the algorithm is interrupted (Step 9), after which the fault recovery subroutine is launched (Step 10). If the fault is corrected, the program returns to the step of setting the current values of the velocity and position profiles in accordance with the data in the array. Otherwise, an error is indicated during trajectory execution (Step 12).

Профили скорости и положения для степеней подвижности рабочего органа формируются исходя из параметров винтов и требуемой глубины захода винта в соответствии с планом операции. При формировании профилей скоростей и положений для низкобортной вращательной степени подвижности и стационарной линейной степени подвижности, значения рассчитываются с учетом требования к реализации синхронного перемещения двух степеней подвижности. Значения профилей рассчитываются так, чтобы при вкручивании хирургического инструмента, один полный оборот вращательной степени подвижности был по времени равен перемещению стационарной поступательной степени подвижности на один полный шаг резьбы хирургического инструмента или транспедикулярного винта. На фигуре 20 представлены графики получаемых профилей скорости и положения для реализации синхронного перемещения степеней подвижностей рабочего органа.Velocity and position profiles for the working element's degrees of freedom are generated based on the screw parameters and the required screw insertion depth in accordance with the surgical plan. When generating velocity and position profiles for the low-flange rotational degree of freedom and the stationary linear degree of freedom, the values are calculated taking into account the requirement for synchronous movement of the two degrees of freedom. The profile values are calculated such that, when screwing in the surgical instrument, one full revolution of the rotational degree of freedom is equal in time to the movement of the stationary translational degree of freedom by one full thread pitch of the surgical instrument or pedicle screw. Figure 20 shows graphs of the resulting velocity and position profiles for synchronous movement of the working element's degrees of freedom.

На этапе цикла отработки траекторий осуществляется постоянный опрос электронных блоков подачи управляющих сигналов и устройства обработки данных с энкодеров на предмет совпадения требуемых значений скорости и положения с фактическими измеренными значениями скорости и положения с целью отслеживания синхронности перемещения осей. Поимо этого осуществляется проверка превышения допустимого значения рассогласования измеренных значений положения для линейного перемещения и датчика вращательного перемещения, установленного в поступательной степени подвижности. Дискрета времени опроса всех устройств при работе не превышает 0.2 сек.During the trajectory processing cycle, the electronic control signal units and the encoder data processing device are continuously polled to ensure that the required speed and position values match the actual measured speed and position values, thereby monitoring the synchronicity of the axis movements. Additionally, a check is performed to ensure that the measured position values for linear movement and the rotary position sensor installed in the translational degree of freedom do not exceed the permissible error limit. The polling time resolution for all devices during operation does not exceed 0.2 seconds.

В случае выхода значений сил и моментов за границы профилей безопасности или выхода значений положений или скорости за заданные диапазоны осуществляется аварийная остановка системы с последующей звуковой и визуальной индикацией. На фигуре 21 представлен график с примером внештатной ситуации, в которой значения измеряемого момента выходят за заданные границы профилей безопасности после чего происходит остановка процесса автоматизированного вкручивания. До значения глубины захода винта равного 5.5 мм идет линейное возрастание момента. Однако, после этого значения происходит внештатная ситуация и значения силы и моментов начинают возрастать нелинейно. Значение измеряемого момента доходит до верхней границы профиля безопасности после чего происходит остановка системы (красная линия на фигуре). В случае остановки системы хирург осуществляет устранение аварийной ситуации путем съема хирургического инструмента из рабочего органа и перехода к мануальному воздействию на ткани пациента при помощи снятого инструмента. Таким образом, на всех этапах проведения автоматизированного вкручивания транспедикулярного винта осуществляется контроль превышения значений сил и моментов по заданным заранее границам профилей безопасности для зависимости момент/глубина во время манипуляций с тканями пациента и тем самым повышается безопасность проводимых операций.If the force and moment values exceed the safety profile limits, or the position or speed values exceed the specified ranges, an emergency system shutdown is initiated, followed by audible and visual indication. Figure 21 shows a graph showing an example of an emergency situation in which the measured torque values exceed the specified safety profile limits, after which the automated screwing process is stopped. The torque increases linearly up to a screw insertion depth of 5.5 mm. However, beyond this value, an emergency situation occurs, and the force and moment values begin to increase nonlinearly. The measured torque value reaches the upper limit of the safety profile, after which the system is stopped (the red line in the figure). If the system is stopped, the surgeon resolves the emergency by removing the surgical instrument from the working element and switching to manual intervention on the patient's tissue using the removed instrument. Thus, at all stages of the automated screwing of the transpedicular screw, control is exercised for exceeding the values of forces and moments according to the pre-set safety profile boundaries for the moment/depth relationship during manipulations with the patient's tissues, thereby increasing the safety of the operations performed.

После проведения всех необходимых хирургических манипуляций выполняется процедура завершения работы системы управления рабочего органа. Данная процедура совершается посредством нажатия хирургом на кнопку питания. После этого отключается подача питания ко всем элементам системы управления и рабочий орган переходит в выключенное состояние.After all necessary surgical procedures are completed, the operating element's control system is shut down. This is accomplished by the surgeon pressing the power button. This disconnects power to all control system components, and the operating element is switched off.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей при проведении операции транспедикулярной фиксации, а именно возможностью осуществления автоматизированного вкручивания транспедикулярного винта, формирования резьбовых каналов, формирование лунки и сверления костных структур при помощи рабочего органа с повышением безопасности путем использования системы управления осуществляющей управление рабочим органом с отслеживанием данных от датчиков положения, силы и момента в соответствии со входными данными о типе используемого инструмента, типе винта, требуемой глубине захода инструмента и отслеживания выхода за предельные значения с последующей остановкой и индикацией о ошибке отработки этапа операции.The technical result provided by the claimed invention consists in expanding the functional capabilities during the transpedicular fixation operation, namely the possibility of automated screwing in of a transpedicular screw, forming threaded channels, forming a socket and drilling bone structures using a working element with increased safety by using a control system that controls the working element with tracking of data from position, force and torque sensors in accordance with input data on the type of instrument used, the type of screw, the required depth of insertion of the instrument and tracking of exceeding the limit values with subsequent stopping and indication of an error in the execution of a stage of the operation.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

На фиг. 22 представлена фотография осуществления изобретения в виде прототипа рабочего органа для транспедикулярной фиксации позвонков с автоматическим вкручиванием винтов, собранного в двух конфигурациях: с низкооборотной степенью подвижности и с высокооборотной степенью подвижности.Fig. 22 shows a photograph of the embodiment of the invention in the form of a prototype of a working element for transpedicular fixation of vertebrae with automatic screwing, assembled in two configurations: with a low-speed degree of mobility and with a high-speed degree of mobility.

Для подтверждения работоспособности изобретение было реализовано в виде прототипа рабочего органа для транспедикулярной фиксации позвонков с автоматическим вкручиванием винтов, собранного в двух конфигурациях. Фотография осуществления изобретения представлена на фигуре 22, в двух видах.To confirm the invention's functionality, it was implemented as a prototype working element for transpedicular vertebral fixation with automatic screw insertion, assembled in two configurations. A photograph of the invention in two views is shown in Figure 22.

На виде А представлена первая конфигурация в виде стационарной линейной степени подвижности с установленной сменной низкооборотной вращательной степенью подвижности. Данная вращательная степень подвижности зафиксирована на механизме крепления 32 при помощи четырех эксцентриковых зажимов 37. В низкооборотную вращательную степень подвижности установлена транспедикулярная отвертка 40 через механизм крепления 73 и подстрочный элемент 107 с хирургическим винтом 18. Данная конфигурация позволяет осуществлять поступательное и вращательное движение хирургического инструмента и тем самым осуществлять вкручивание транспедикулярного винта 18 или других хирургических инструментов таких как хирургическое шило 39, хирургический метчик 38 после их замены в механизме крепления 73.View A shows the first configuration in the form of a stationary linear degree of freedom with an installed replaceable low-speed rotational degree of freedom. This rotational degree of freedom is fixed on the fastening mechanism 32 using four eccentric clamps 37. A transpedicular screwdriver 40 is installed in the low-speed rotational degree of freedom through the fastening mechanism 73 and the sub-screw element 107 with the surgical screw 18. This configuration allows for the translational and rotational movement of the surgical instrument and thereby the screwing in of the transpedicular screw 18 or other surgical instruments such as the surgical awl 39 and the surgical tap 38 after their replacement in the fastening mechanism 73.

На виде Б представлена вторая конфигурация в виде стационарной линейной степени подвижности с установленной сменной высокооборотной степенью подвижности. Высокооборотная степень подвижности так же закрепляется на механизме крепления 32 при помощи четырех эксцентриковых зажимов 37.Figure B shows the second configuration, a stationary linear motion stage with a replaceable high-speed motion stage installed. The high-speed motion stage is also secured to fastening mechanism 32 using four eccentric clamps 37.

В конструкции данной степени подвижности хирургическая дрель 80 закреплена через корпусной элемент 81 и позволяет устанавливать в себя хирургическое сверло необходимого диаметра. Таким образом, становится возможным осуществление сверления отверстий в костной ткани пациента.In this design, surgical drill 80 is secured via housing element 81 and allows for the insertion of a surgical drill bit of the required diameter. This makes it possible to drill holes in the patient's bone tissue.

Каждую конфигурацию рабочего органа возможно закрепить на фланце медицинского манипуляционного робота посредством детали крепления 42. Данное крепление сопряжено с линейной степенью подвижности через промежуточные датчики силы 41, а сменные вращательные степени подвижности сопряжены через датчик момента 64 что позволяет реализовывать алгоритмы управления с отслеживанием выхода предельных значений по силе и моменту. Помимо этого, в каждой конфигурации рабочего органа выведены крепления для рамки со сферическими отражателями 31 в виде отверстий с резьбой, что позволяет осуществлять процедуры, связанные с калибровкой хирургического инструмента.Each end-effector configuration can be secured to the flange of the medical manipulation robot via mounting part 42. This mounting is coupled to the linear degree of freedom via intermediate force sensors 41, while the interchangeable rotational degrees of freedom are coupled via torque sensor 64, enabling the implementation of control algorithms that monitor force and torque limit values. Furthermore, each end-effector configuration includes threaded holes for mounting the frame with spherical reflectors 31, enabling procedures related to surgical instrument calibration.

Полученный рабочий орган за счет своей конструкции позволяет реализовать способ осуществления автоматизированного вкручивания транспедикулярного винта, путем последовательного использования низкооборотной степени подвижности с установленным хирургическим шилом для инициализации отверстия в кортикальном слое позвонка перед сверлением, высокооборотной степени подвижности для осуществления сверления отверстий в педикулах позвонков и низкооборотной степени подвижности для формирования резьбовых каналов в этих отверстиях путем установки хирургического метчика и последующего применения транспедикулярной отвертки для вкручивания транспедикулярных винтов в педикулы позвонков.The resulting working element, due to its design, makes it possible to implement a method for the automated screwing of a transpedicular screw by sequentially using a low-speed degree of mobility with an installed surgical awl to initialize a hole in the cortical layer of the vertebra before drilling, a high-speed degree of mobility to drill holes in the pedicles of the vertebrae, and a low-speed degree of mobility to form threaded channels in these holes by installing a surgical tap and then using a transpedicular screwdriver to screw transpedicular screws into the pedicles of the vertebrae.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Патент включает в себя 22 фигуры, описывающих особенности конструкции, системы управления и управляющих программ рабочего органа для проведения автоматического вкручивания транспедикулярных винтов. Прилагаемые фигуры, которые включены в состав настоящего, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения признаков настоящего изобретения. На фигурах одинаковые позиции применяются для обозначения одинаковых деталей или элементов конструкции.The patent includes 22 figures describing the design features, control system, and control programs of the operating element for the automatic insertion of pedicle screws. The accompanying figures, which are incorporated herein, illustrate embodiments of the invention and, together with the above general description of the invention and the following detailed description of the embodiments, serve to clarify the features of the present invention. In the figures, like reference numerals are used to designate like parts or structural elements.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого рабочего органа для автоматического вкручивания транспедикулярных винтов со стационарной линейной степенью подвижности и низкооборотной вращательной степенью подвижности.Fig. 1 shows a general view of the proposed working element for automatic screwing of transpedicular screws with a stationary linear degree of mobility and a low-speed rotational degree of mobility.

На фиг. 2 представлены две конфигурации рабочего органа. Первая конфигурация рабочего органа с установленной низкооборотной степенью подвижностью. Вторая конфигурация рабочего органа с установленной высокооборотной степенью подвижности.Fig. 2 shows two configurations of the working element. The first configuration of the working element has a low-speed degree of mobility set. The second configuration of the working element has a high-speed degree of mobility set.

На фиг. 3 представлен общий вид стойки входящей в состав рабочего органа для автоматического вкручивания транспедикулярных винтов.Fig. 3 shows a general view of the stand included in the working element for automatic screwing of transpedicular screws.

На фиг. 4 представлен общий вид стационарной линейной степени подвижности с механизмом крепления входящего в состав рабочего органа для автоматического вкручивания транспедикулярных винтов.Fig. 4 shows a general view of a stationary linear degree of mobility with a fastening mechanism for the working element included in the composition for automatic screwing in of transpedicular screws.

На фиг. 5 представлен общий вид стационарной линейной степени подвижности с механизмом крепления, когда исполнительный механизм находится в выдвинутом вперед положении.Fig. 5 shows a general view of a stationary linear degree of freedom with a fastening mechanism when the actuator is in the forward position.

На фиг. 6 представлен общий вид стационарной линейной степени подвижности в составе рабочего органа для автоматического вкручивания транспедикулярных винтов с возможностью смены хирургического инструмента.Fig. 6 shows a general view of a stationary linear degree of mobility as part of a working element for automatic screwing in of transpedicular screws with the possibility of changing the surgical instrument.

На фиг. 7 представлен механизм подстройки положения хирургического инструмента с установленным хирургическим метчиком.Fig. 7 shows the mechanism for adjusting the position of a surgical instrument with an installed surgical tap.

На фиг. 8 представлен общий вид сменной низкооборотной вращательной степени подвижности с установленным хирургическим шилом.Fig. 8 shows a general view of the replaceable low-speed rotary degree of mobility with an installed surgical awl.

На фиг. 9 представлен общий вид сменной низкооборотной вращательной степени подвижности с установленным хирургическим метчиком.Fig. 9 shows a general view of the replaceable low-speed rotary degree of mobility with an installed surgical tap.

На фиг. 10 представлен общий вид сменной низкооборотной вращательной степени подвижности с установленной транспедикулярной отверткой.Fig. 10 shows a general view of the replaceable low-speed rotary degree of mobility with a transpedicular screwdriver installed.

На фиг. 11 представлен общий вид сменной высокооборотной вращательной степени подвижности с хирургической дрелью.Fig. 11 shows a general view of a replaceable high-speed rotary degree of mobility with a surgical drill.

На фиг. 12 представлена конструкция стационарной линейной степени подвижности с пространственным разделением деталей.Fig. 12 shows the design of a stationary linear degree of mobility with spatial separation of parts.

На фиг. 13 представлена конструкция низкооборотной вращательной степени подвижности разделением деталей.Fig. 13 shows the design of a low-speed rotary motion control with separation of parts.

На фиг. 14 представлена конструкция хирургических инструментов со съемным креплением к рабочему органу.Fig. 14 shows the design of surgical instruments with a removable attachment to the working element.

На фиг. 15 Структурная схема системы управления рабочего органа для проведения автоматизированного вкручивания транспедикулярных винтов.Fig. 15. Structural diagram of the control system of the working element for automated screwing of transpedicular screws.

На фиг. 16 представлена структурная схема электрических элементов входящих в состав степеней подвижностей рабочего органа.Fig. 16 shows a structural diagram of the electrical elements included in the degrees of mobility of the working element.

На фиг. 17 представлен рабочий орган с фотограмметрическими рамками для определения положения и ориентации.Fig. 17 shows a working element with photogrammetric frames for determining position and orientation.

На фиг. 18 представлена зависимость крутящего момента вдоль продольной оси хирургического инструмента или транспедикулярного винта от его глубины захода.Fig. 18 shows the dependence of the torque along the longitudinal axis of a surgical instrument or transpedicular screw on its insertion depth.

На фиг. 19 представлен алгоритм управления рабочего органа для проведения автоматизированного вкручивания транспедикулярных винтов.Fig. 19 shows the control algorithm of the working element for automated screwing of transpedicular screws.

На фиг. 20 представлены графики получаемых профилей скорости и положения для реализации синхронного перемещения степеней подвижностей рабочего органа.Fig. 20 shows graphs of the obtained speed and position profiles for implementing synchronous movement of the degrees of mobility of the working element.

На фиг. 21 представлен график с примером внештатной ситуации, в которой значения измеряемого момента выходят за заданные границы профилей безопасности.Fig. 21 shows a graph with an example of an emergency situation in which the values of the measured moment go beyond the specified boundaries of the safety profiles.

На фиг. 22 представлено осуществление изобретения, в виде прототипа рабочего органа с установленной низкооборотной степенью подвижности и фотограмметрическая рамка для остистого отростка оперируемого позвонка закрепленная на фантоме позвонка.Fig. 22 shows an embodiment of the invention in the form of a prototype of a working element with an established low-speed degree of mobility and a photogrammetric frame for the spinous process of the operated vertebra fixed to a phantom of the vertebra.

Claims

1. The working element of a medical manipulation robot, configured to perform automated surgical manipulations with pedicles of vertebrae: forming sockets in bone tissue, drilling holes, forming threaded channels and installing transpedicular screws by changing the configuration and replacing tools, characterized in that it has three degrees of mobility with connecting components, wherein the stationary linear degree of mobility for the translational movement of the working element is formed by a linear movement mechanism that includes, in a single housing, a motor, a ball screw transmission, linear guides, a rotational displacement sensor configured to measure the angle of rotation of the ball screw nut, a translational displacement sensor configured to measure the displacement of the output link, and a torque sensor configured to measure torque loads arising on the output link; a replaceable low-speed rotary degree of mobility with a rotation range from 0.1 to 400 rpm for rotating a surgical instrument around its own axis is formed by a housing, a motor, a gearbox, a rotational displacement sensor configured to measure the angle of rotation of the motor shaft, connecting elements for a frame with spherical reflectors, a frame with spherical reflectors, fasteners for 4 clamps, a mechanism for fastening a surgical instrument configured to install a surgical awl, a transpedicular screwdriver and a surgical tap and a mechanism for adjusting the radial position of the surgical instrument at two attachment points with cylindrical subscript elements using set screws; a replaceable high-speed rotary degree of mobility with a rotation range from 1 to 850 rpm for rotating a surgical drill around its own axis is formed by a cylindrical surgical drill, a housing element configured to fix the cylindrical drill, with threaded holes for installing frames with spherical reflectors and fasteners for four clamps; a fastening configured to be installed on the output link of a stationary linear degree of freedom, consisting of four tightening eccentric clamps and a centering cone; a stand with fasteners for connection to a robot manipulator, including housing parts and three force sensors, configured to maintain the degrees of freedom of the working element and axially measure the applied force; and a control system including a control computer with a control program for connecting a photogrammetric system, configured to receive and transmit data and control commands to other elements of the control system, receive control commands through input devices in the form of a keyboard, mouse and screen and a software interface configured to provide visual and audio indication in the event of an emergency, electronic control signal supply units for synchronous control of degrees of mobility depending on a given control program, an analog-to-digital converter configured to read data from three force sensors and a torque sensor, a data processing device from an encoder configured to read data from the force sensors, an electronic power distribution element for supplying power to all elements of the control system, and containing a safety button for disconnecting the electronic control signal supply units from the power supply in the event of an emergency and a power button for regulating the power supply to all elements of the control system.

2. A method for the automated screwing in of a transpedicular screw using a working element, which includes the sequential use of a low-speed degree of mobility and a surgical awl to initialize a hole in the cortical layer of a vertebra before drilling, a high-speed degree of mobility to drill holes in the pedicles of the vertebrae and a low-speed degree of mobility to form threaded channels in these holes by installing a surgical tap and a transpedicular screwdriver for screwing in transpedicular screws into the pedicles of the vertebrae, characterized in that a control algorithm is used that includes setting the limit values of position, speed, force and torque for a stationary linear degree of mobility, a low-speed rotational degree of mobility and a high-speed rotational degree of mobility, for each discrete time of the cycle of processing a surgical manipulation in accordance with input data on the type of instrument used, the type of screw, the required depth of entry of the instrument, tracking the exit beyond the limit values of force and torque with a subsequent stop and indication of a processing error, recording the values of the dependence of the torque along the longitudinal axis of a surgical instrument or a transpedicular screw on its insertion depth, while performing a procedure for starting the control system and pre-selecting the parameters of the surgical instruments used, including starting the control system of the working element by pressing the power button and pre-selecting the parameters of the transpedicular screw and the limit values of the force and torque for the safety profiles based on the torque/depth dependence by interacting with input devices in the form of a keyboard, mouse, screen and the software interface of the control system; a procedure for linear advance and retraction of the rotational degrees of mobility of the working element, including the movement of the linear degree of mobility in accordance with control commands given through input devices in the form of a keyboard, mouse and screen and software interfaces for the purpose of translational movement of the surgical instrument; a procedure for technical adjustment of the equipment, including adjustment of the surgical instrument using a mechanism for adjusting the position of the surgical instrument by adjusting the radial position of the surgical instrument at two attachment points with cylindrical subscript elements using set screws; a procedure for replacing a surgical instrument that includes the manual replacement by the surgeon of a transpedicular screwdriver or a surgical tap on a low-speed rotary motion by operating the surgical instrument fastening mechanism; a procedure for calibrating the orientation and position of the end point of the high-speed motion with the required drill with an installed frame with spherical reflectors by rotating the drill at different angles of inclination to the normal, not exceeding 30 degrees, holding the end point of the drill motionless in the socket on the reference frame with spherical reflectors and continuously recording data on its position, with subsequent calibration of the drill orientation by mounting the drill on the jaws of a guide prism located on the reference frame, with subsequent movement along the drill axis with a recording of 3 to 5 position points, from which the drill axis vector is calculated; a procedure for calibrating the orientation and position of the end point of the low-speed degree of mobility with the required surgical instrument, with a frame with spherical reflectors installed, by rotating the surgical instrument at different angles of inclination to the normal, not exceeding 30 degrees, holding the end point of the instrument motionless in the well on the reference frame with spherical reflectors and continuously recording data on its position, with subsequent calibration of the orientation of the surgical instrument by mounting the cylindrical surface of the surgical instrument on the jaws of a guide prism located on the reference frame, with subsequent movement along the axis of the instrument with the recording of 3 to 5 position points, based on which the vector of the axis of the surgical instrument is calculated; a procedure for installing the required degree of mobility in the working element while maintaining the software calibrated value of the position of the end point of the surgical instrument by manually replacing the required degree of mobility with a calibrated surgical instrument and tracking its spatial orientation during installation, with subsequent indication of this instrument in the software interface using input devices in the form of a keyboard, mouse, screen; a procedure for starting the control system in test mode with a check of the safety button by preliminary starting the system in test mode through input devices in the form of a keyboard, mouse, screen and software interface of the control system, followed by pressing the safety button with visual monitoring of the indication and stopping of movement for the selected configuration of the working element; an algorithm for synchronous control of the degrees of freedom for manipulating a surgical instrument with monitoring of the excess of the values of forces and moments according to the pre-set limits of safety profiles for the torque/depth relationship, implemented through synchronous movement of the linear degree of freedom and one of the replaceable rotational degrees of freedom with the installed and calibrated surgical instrument depending on the specified parameters of the surgical instrument in the control program, while implementing a control algorithm with measurement of the torque/depth relationship, with monitoring of the excess of the values of forces and moments according to the pre-set limits of safety profiles for the torque/depth relationship for each movement increment and stopping the screwing process with subsequent audio and visual indication through the software interface of the control system in the event of going beyond the permissible limits of values; and the procedure for shutting down the control system of the working element by pressing the power button.