[go: up one dir, main page]

WO2021145792A1 - Combined manipulator for robotic surgical system - Google Patents

Combined manipulator for robotic surgical system Download PDF

Info

Publication number
WO2021145792A1
WO2021145792A1 PCT/RU2020/050373 RU2020050373W WO2021145792A1 WO 2021145792 A1 WO2021145792 A1 WO 2021145792A1 RU 2020050373 W RU2020050373 W RU 2020050373W WO 2021145792 A1 WO2021145792 A1 WO 2021145792A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
manipulator
drive
movement module
platform
transverse movement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2020/050373
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Юрьевич ПУШКАРЬ
Рахим Суфьянович НАХУШЕВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Obschestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu "assistiruyuschie Khirurgicheskie Tekhnologii"
Original Assignee
Obschestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu "assistiruyuschie Khirurgicheskie Tekhnologii"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Obschestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu "assistiruyuschie Khirurgicheskie Tekhnologii" filed Critical Obschestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu "assistiruyuschie Khirurgicheskie Tekhnologii"
Publication of WO2021145792A1 publication Critical patent/WO2021145792A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/02Programme-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type
    • B25J9/023Cartesian coordinate type
    • B25J9/026Gantry-type
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/08Programme-controlled manipulators characterised by modular constructions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
    • B25J9/123Linear actuators

Definitions

  • the invention relates to mechanical engineering, in particular, to robotics, namely, to spatial manipulation mechanisms of robots of a parallel structure. Such mechanisms can be applied in the following areas: robotization, teleoperation, minimal invasive surgery, and others. More specifically, the invention relates to the mechanisms of a manipulator included in a robotic surgical system for minimally invasive surgical operations.
  • the main actuator in robotic systems is the manipulator.
  • the manipulator provides fastening and precise movement of the surgical instrument in the operated area.
  • a surgical instrument moved by a manipulator during an operation implements / performs the necessary surgical manipulations on tissues (coagulation, cutting, stitching, and so on).
  • the cost of error, inaccuracies and inaccuracies in the operation of the tool is very high.
  • the need for more and more advanced manipulators for surgery creates urgent scientific and technical problems. Improvement of manipulators is due to the need for remote control of the instrument by the surgeon located remotely from the operating table, the requirements for increasing accuracy, reliability and minimal trauma when the instrument is exposed to the operating field, as well as the requirements for minimal impact / trauma on tissues located near the operating field.
  • a "controller” In robotic-assisted operations, a “controller” is used that reads the mechanical movements of the surgeon's hands and converts them into digital signals, which, in turn, are recalculated in the control system and used to control the movements of the manipulator and the instrument.
  • the closest analogue to the claimed invention is disclosed in document RU172752 Sh portal manipulator of parallel structure (figure 1).
  • the mechanism includes a base, linear drives with vertical axes placed on it, coupled to a movable platform, a transverse carriage coupled to a movable platform by a translational drive, a longitudinal carriage coupled with a transverse carriage also by means of a translational drive, an output link coupled with a rotary drive.
  • the mechanism contains a portal, which includes vertical struts fixed on the base, connected by longitudinal and transverse horizontal beams, two linear motors with vertical axes, the first of which is coupled to a movable platform by means of a frame made with the possibility of vertical movement relative to the struts, rotational kinematic pairs, and the second linear an engine with a vertical axis is coupled to a movable platform also by means of a frame made with the possibility of vertical movement along the racks, and an additional link connected to the frame and the movable platform by rotational kinematic pairs, while the output link is connected to the movable platform by a kinematic chain consisting of a kinematic chain made in the form successively nested frames of transverse and longitudinal carriages, having the possibility of translational movement relative to perpendicular axes, and the drive for rotary movement of the output link is placed on the longitudinal carriage.
  • a portal which includes vertical struts fixed on the base, connected by longitudinal and transverse horizontal beams
  • the disadvantages of the above-described manipulator include a small ratio of linear movements to the dimensions of the structure due to the architecture of the location and the number of frames in the mechanism. Also, in order to provide a sufficient angle of rotation of a larger horizontal frame along one of the rotational axes, there is a need to increase the dimensions (height) of the manipulator base. It is worth noting the complexity of the mathematical description of the kinematics of displacement around point "0" and ensuring sufficient angles of rotation around it due to the increasing dimensions of frame structures.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to increase the efficiency and functionality of the robotic surgical complex by developing a fundamentally new scheme for solving the formulated technical problems.
  • the technical result of the present invention is the development of a manipulator that combines small dimensions and weight with sufficient structural rigidity and dynamic positioning accuracy, while having sufficient mobility and freedom of the output link on which the surgical instrument is installed.
  • the technical result of the invention is achieved due to the fact that the combined manipulator of the robotic surgical complex includes a mechanism 100 provided with drive elements 200 and made in the form of a fixed support platform 110 and a movable platform 120 connected to each other by means of three rods 130, a movable platform 120 the mechanism 100 is configured to receive a surgical instrument 500 thereon; and a portal mechanism 300 made in the form of a transverse movement module and a longitudinal movement module, each of which is provided with a drive unit 400; the drive elements 200 and the drive units 400 are configured to transmit and / or receive data from the control system of the robotic surgical complex.
  • the mechanism 100 is installed on the transverse movement module with the ability to move along it in the transverse direction, and the transverse movement module is installed on the longitudinal movement module with the ability to move along it in the longitudinal direction. Moreover, each rod 130 of the mechanism 100 with one end
  • each of these modules of the portal mechanism 300 is made in the form of a support frame of four rails arranged in pairs perpendicular to each other, and the rails in pairs are arranged in parallel, while one pair of rails is equipped with linear guides.
  • carriages 312 with a fixed support platform 110 attached to them for transverse movement of the mechanism 100
  • carriages 332 with fixed on each of them a mounting platform 322, which is fixed on the mounting plane of the inner surface of the rails 320 of the second pair of rails of the lateral movement module, for longitudinal movement of the lateral movement module with the mechanism 100.
  • the drive unit 400 of each module of the portal mechanism 300 is based on a synchronous servo drive 410 in conjunction with a precision planetary gear 411.
  • the arm further includes a drive member 600 disposed on a movable platform 120 to move a surgical instrument along a single linear axis.
  • a servo drive is used as a drive element 200 of the mechanism 100 or a drive element 600 for moving a surgical instrument in conjunction with a backlash-free wave-type precision gearbox or a planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 '.
  • diametrically opposed fasteners 112 are provided on the fixed support platform 110 of the mechanism 100 for mounting the carriages 312 of the lateral movement module.
  • the stationary support platform 110 of the mechanism 100 is provided with platforms 111 oriented towards the movable platform 120 of the mechanism 100 and located relative to each other at an angle of 120 °.
  • the drive element 200 is located on the platform 111 and is made in the form of a servo drive 210 with a ball and a screw drive.
  • Figure 1 depicts the closest analogue to the claimed invention - a portal manipulator of parallel structure.
  • Figure 2 illustrates the kinematic diagram of the tripod.
  • Figure 3 is a perspective view of a tripod model according to the present invention.
  • Figure 4 illustrates a preferred embodiment of a tripod drive member.
  • Figure 5 illustrates a general view of the structure of the arm.
  • Figure 6 depicts a general view of a model of a tripod with a surgical instrument installed on its movable platform.
  • Figure 7 illustrates a general view of the structure of the manipulator with a surgical instrument installed on its movable platform.
  • robot technological complex means complex systems or complexes in surgery using a robotic assistant during an operation.
  • Robot assistive systems or “robotic assisted surgical systems” are robotic systems designed to perform medical operations. These are not autonomous devices, robotic assistive systems are controlled by surgeons during the operation.
  • chatronic complex or “mechatronic system” means a complex or system with computer control of motion, which is based on knowledge in the field of mechanics, electronics and microprocessor technology, computer science and computer control of the movement of machines and assemblies.
  • the term "manipulator” is understood as a mechatronic mechanism designed to secure and move (change the position) of a surgical instrument during a surgical operation in accordance with given commands from the control system of the robotic surgical complex.
  • the term "portal mechanism” is understood as a mechanism of a robotic system, consisting of two support (portal) frames, which, upon command from the control system of the robotic surgical complex, can move relative to each other along axes located at an angle of 90 ° relative to each other. friend.
  • the terms “longitudinal displacement module” and “lateral displacement module” are understood as mechanisms that ensure the mutually perpendicular movement of one or another element relative to each other.
  • connection means operatively connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.
  • Parallel kinematics mechanisms are devices, the output link of which is connected to the base by several independent kinematic chains. They are characterized by high rigidity, allow you to achieve high accuracy of movements, reduce vibrations, and also optimally distribute forces. Different solutions can be used as a parallel mechanism.
  • the manipulator is a mechatronic device that uses a mechanism that is a conditionally parallel mechanism and is similar in kinematics to a tripod mechanism ("tripod" mechanism), in combination with a mechanism for its linear movement over the working area.
  • tripod is used to denote a mechanism that is kinematically similar to that of a tripod.
  • the kinematic diagram of such a tripod is shown in figure 2. It is based on a spatial mechanism and provides the mechanism with two rotational degrees of freedom (around the x and y axes) and one translational degree of freedom (along the z axis), which is a basic requirement for robotic surgery.
  • the combined manipulator proposed according to the present invention includes a mechanism 100 equipped with drive elements 200 (a mechanism of the "tripod” or tripod type according to the above terminology) and a portal mechanism 300 for ensuring movement of the mechanism 100 along two linear axes, equipped with drive units 400.
  • the drive elements 200 and the drive units 400 are made with the possibility of transmitting data to the control system of the robotic surgical complex when moving the elements or receiving control signals from the control system of the robotic surgical complex to move the output link of the manipulator to the required position according to the calculated data.
  • FIG. 3 shows a General view of a part of the inventive manipulator (mechanism 100) - General view of the tripod 100.
  • the tripod 100 consists of two platforms: a fixed support platform (base) 110 and a movable platform 120, which are interconnected by three rods 130 constant length.
  • Three rods 130 are connected at one end 132 through a bearing assembly to the corresponding drive elements 200, and the other ends 131 of the rod 130 are connected through the hinges 133 to the movable platform 120.
  • the rods 130 are universal shafts and the hinges 133 in the preferred embodiment are cardan joints (Hooke's hinges) that provide two degrees of freedom at the attachment point (two rotational degrees of freedom).
  • the fixed platform 110 is provided with platforms 111 oriented towards the movable platform 120.
  • the platforms 111 together with the fixed platform 110 of the tripod 100 can be made in the form of a single integral part or can be made in the form of separate elements rigidly connected to each other.
  • the pads 111 are directed parallel to the central axis of the tripod, positioned relative to each other at an angle of 120 °.
  • the mechanism 100 of the "tripod" type is driven by actuating elements 200, which are located on the platform 111.
  • actuating elements 200 By interconnectedly controlling the three actuating elements 200 according to a certain law, it is possible to move the movable platform 120 of the manipulator tripod in space (two rotations and one linear movement) ...
  • the movable platform 120 of the tripod is its final link, therefore, it is the output link of the tripod.
  • the actuator 200 may be any known mechanism to reduce loss of accuracy due to backlash.
  • any known servo drive can be used as the drive element 200 in conjunction with a backlash-free gearbox with zero mechanical backlash, for example, with a backlash-free precision gearbox, preferably wave-type, or with a planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 '.
  • FIG. 4 A specific embodiment of a manipulator actuator 200 according to the present invention is shown in Figure 4.
  • the actuator 200 includes a dynamic and precise synchronous ball screw servo 210. Depending on the pitch of the ball screw, the gear ratio of the drive element can be increased or decreased.
  • a servo drive 210 mounted on a stationary support platform 110, is connected to the ball screw shaft 230 through a coupling 220 and rotates it.
  • the nut 240 of the ball screw makes translational movements.
  • the nut 240 is secured in a ball screw nut holder 250, which is connected at its lower part to a platform 260 mounted on a movable linear carriage 270.
  • the carriage 270 is made with the possibility of movement along the guide rail 280, fixed on the inner side of the platform 111, mounted perpendicular to the stationary platform 110.
  • the bearing unit 290 is based on the upper part of the ball screw nut holder 250. Rods 130 (not shown in the drawing).
  • the ball screw provides the translational movement of the rods. 130 tripods 100.
  • An important advantage of the above described mechanism of the "tripod” type is the ability to position the output link (rotary, movable platform) as far away from the drives that form its movement as desired. The distance is determined and regulated by the length of the rods 130. In this case, the drives with a significant mass are mounted on a fixed support platform. This design allows to significantly reduce the dynamic loads on the output link, positioning it at any convenient distance.
  • a portal mechanism of linear movements 300 (figure 5).
  • the design of the portal mechanism 300 provides additionally two linear movements for the tripod 100 in space - longitudinal and transverse.
  • the portal mechanism 300 consists of a transverse movement module, along which the tripod 100 moves in the transverse direction, and a longitudinal movement module, along which the lateral movement module moves in the longitudinal direction.
  • Module structures are located in parallel planes. Each of the modules is made in the form of a rectangular frame.
  • the transverse movement module is made in the form of a support (portal) frame of four rails arranged in pairs perpendicular to each other, with the rails in pairs being parallel. On the rails 310 of the first pair, from the outside, linear guides 311 of the transverse movement module are installed, along which the carriages 312 move synchronously.
  • a mounting plane is located on the inner side, on which the mounting pads 322 are fixed.
  • one of the embodiments of the invention can be located at a small distance from the corners of the rectangular frame.
  • the module of longitudinal movement is also made in the form of a support (portal) frame of four rails arranged in pairs perpendicular to each other, while the rails in pairs are arranged in parallel.
  • the first pair of rails 330 of the longitudinal displacement module is located parallel to the second pair of rails 320 of the transverse displacement module in such a way that the carriages 332 cooperate with the corresponding mounting pads 322 of the transverse movement module in order to move it along the x-axis (FIG. 5).
  • the manipulator has special attachments for the manipulator (not shown in the drawing).
  • the design of the arm attachment depends on the design of the robot as a whole.
  • the manipulator mount has surfaces for connecting with other elements of the robot, and there are counter surfaces for connections and fastenings directly with the manipulator.
  • the surfaces for attachment with the manipulator are connected to the manipulator, namely, with specially provided surfaces on one of the frames of the longitudinal movement module of the portal mechanism 300.
  • the fixed tripod platform 110 is fixed directly to the transverse movement module without the use of any additional kinematic links.
  • the specified connection is carried out as follows.
  • diametrically opposite "ears" 112 fastening element
  • FIG. 3 diametrically opposite "ears" 112 (fastening element)
  • FIG. 5 precision rail guides are used as linear guides, which are mounted on the portal frame.
  • the advantage of the above-described design of the portal mechanism 300 for providing linear movements of the tripod 100 is to create a rigid frame and ensure high accuracy of movements.
  • the arrangement of the tripod 100 with the portal mechanism 300 provides a large coverage of the operating field by the output link of the tripod, while having more compact dimensions of the entire manipulator as a whole in comparison with other variants of the combined manipulators.
  • the gantry drive unit 400 may be any known mechanism to reduce the loss of accuracy due to backlash during operation.
  • each of the linear axes of the gantry is driven by a precision synchronous servo 410 in conjunction with a belt drive.
  • the 410 servo drive is paired with the 411 precision planetary gearbox. It is required to increase the motor torque and increase the load capacity of the structure.
  • gearbox 411 any known gearbox with zero mechanical backlash can be used.
  • the belt drive is a polyurethane toothed belt paired with toothed pulleys 412. These drive belts are not stretched due to the pressed-in cord, and thus are not subject to permanent deformation. The elongation caused by peripheral forces and pretension is extremely small. This solution is suitable for high power transmissions and the required accuracy.
  • the result is a manipulator as a combination of a kinematic solution in the form of a tripod mechanism 100 and a portal mechanism 300 of its linear movements (figure 5).
  • the tripod has two rotational and one translational degrees of freedom.
  • the translational movement (z-axis) is ensured by the synchronous operation of three servomotors in the same direction.
  • the mechanism of linear movements of the tripod provides an additional two degrees of freedom (along the x, y axes).
  • the developed manipulator allows the most accurate, at the maximum required angles of rotation, with a minimum weight and size of the structure, to provide displacement of the output link (movable platform of the tripod) around the remote center of movement - point "0".
  • a surgical instrument 500 (FIG. 6, FIG. 7) is mounted on the output link of the surgical manipulator, for example, in the form of an end effector 510 with jaws and a drive 550 to control the end effector of the surgical instrument.
  • the actuator 550 is mounted on a platform of a surgical instrument (not shown in the drawing), for which a separate actuator 600 is provided for movement along one linear axis.
  • the actuator 600 may be any known mechanism to reduce loss of precision due to backlash during operation.
  • the platform of the surgical instrument in conjunction with the surgical instrument is driven by a linearly accurate synchronous servo motor 610 in conjunction with a belt drive. It provides an additional z-travel to the surgical instrument 500 when movement along this axis, due to the simultaneous operation of the servo motors 210 of the tripod 100, would be insufficient, undesirable or impossible.
  • a platform 620 is rigidly attached with a linear guide 630 mounted on it, along which a carriage (not shown in the drawing) is moved with the help of a servo drive 610 platform of the surgical instrument 500.
  • CNC system converts the coordinates of the handle of the control controller into the coordinates of the executive device (manipulator). It generates drive control signals for each degree of mobility of the actuator in such a way that one or another of its movement corresponds to the direction in which the operator-surgeon acted on the mechanism of the control controller, and it was intuitive for him.
  • the drive units (drive elements) of the manipulator are linked to the CNC system. They are linked via a common data bus.
  • the CNC system is made with the ability to record data on the received commands.
  • Data transmission media are selected from devices designed to implement the communication process between various devices via wired and / or wireless communication, in particular, such devices can be: GSM modem, Wi-Fi transceiver, Bluetooth or BLE module, GPRS module, NFS, Ethernet, etc.
  • the manipulator has flexible settings, which allows it to be oriented for different tasks.
  • the use of the proposed scheme will make it possible to create highly accurate, compact, rigid, highly dynamic and, at the same time, inexpensive manipulators for each (necessary) type of surgical intervention, which are maximally verified for the surgical technology.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

The invention relates to two-component spatial manipulator mechanisms for parallel robots that are part of a robotic surgical system for performing minimally invasive surgical operations. The present manipulator is an improved design of a tripod in combination with a portal mechanism for linear movement of the tripod over a working area. This hybrid kinematic structure enables the manipulator to move an output link, to which a surgical instrument is mounted, around a remote centre of motion - point "0" - with maximum accuracy, a maximum of necessary angles of rotation and with a minimum of weight and size.

Description

КОМБИНИРОВАННЫЙ МАНИПУЛЯТОР РОБОТОХИРУРГИЧЕСКОГО COMBINED SURGICAL ROBOT MANIPULATOR

КОМПЛЕКСА OF THE COMPLEX

Область техники, к которой относится изобретение The technical field to which the invention relates

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

Предпосылки создания изобретения Background of the invention

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

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

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

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

B. значительный размер манипулятора при обеспечении требуемого, сравнительно небольшого, рабочего перемещения выходного звена манипулятора; c. задействование значительного пространства для обеспечения траекторий перемещения отдельных звеньев манипулятора (система громоздкая и занимает очень много пространства, в том числе и над операционной зоной, что недопустимо, так как во время хирургического вмешательства всегда необходимо обеспечить достаточный подступ к пациенту); d. незначительная полезная масса, переносимая манипулятором в сравнении с используемой мощностью двигателей манипулятора; e. незначительная и ограниченная жесткость конструкции манипулятора из-за значительной консольности последовательной структуры; f. сложная механика для обеспечения требуемых движений (два поворота) в точку «0» (точка вхождения хирургического инструмента в тело пациента); g. в силу ограничений движений, связанных с архитектурой манипулятора, и взаимного расположения его звеньев, вызванных сложностью модели и точностью расчета положения выходного звена манипулятора, обеспечение удержания инструмента в точке «0» в приемлемом поле допуска не всегда реализуемо. B. significant size of the manipulator while ensuring the required, relatively small, working displacement of the output link of the manipulator; c. the use of significant space to ensure the trajectories of movement of individual links of the manipulator (the system is cumbersome and takes up a lot of space, including above the operating area, which is unacceptable, since during a surgical intervention it is always necessary to provide a sufficient approach to the patient); d. insignificant useful mass carried by the manipulator in comparison with the used power of the manipulator motors; e. insignificant and limited rigidity of the manipulator structure due to the significant cantilever of the sequential structure; f. complex mechanics to ensure the required movements (two turns) to the point "0" (the point of entry of the surgical instrument into the patient's body); g. Due to the limitations of the movements associated with the architecture of the manipulator and the relative position of its links caused by the complexity of the model and the accuracy of calculating the position of the output link of the manipulator, it is not always feasible to keep the tool at point "0" within an acceptable tolerance range.

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

[7] Конструкции манипуляторов с последовательной архитектурой раскрыты, в частности, в US6659939 В2, US6102850 А, ЕР1984150 В1, US10293498 В2, W02018059039 А1, US10299883 В2. [7] Constructions of manipulators with a sequential architecture are disclosed, in particular, in US6659939 B2, US6102850 A, EP1984150 B1, US10293498 B2, W02018059039 A1, US10299883 B2.

[8] В процессе исследований был выявлен и предложен новый подход к механике манипулятора, а именно, использование манипуляторов на параллельных структурах. В отличие от традиционных манипуляторов, структуры с параллельной кинематикой содержат замкнутые кинематические цепи и воспринимают нагрузку как пространственные фермы, то есть, звенья этих механизмов работают на растяжение и сжатие, что обеспечивает жесткость всей конструкции и положительно сказывается на многие характеристики, и, прежде всего, на точность позиционирования исполнительного звена. Использование манипулятора на параллельных структурах в сравнении с существующими манипуляторами последовательной структуры позволяет: а. обеспечить до десяти раз более высокую точность, что дает возможность манипулировать хирургическим инструментом с точностью, превосходящей размеры любых человеческих органов, и, в специально разработанных случаях, обеспечить точность в микронном диапазоне; b. повысить жесткость конструкции более чем в пять раз; c. обеспечить большую полезную нагрузку на исполнительном звене манипулятора по сравнению с аналогичными по мощности конструкциями на последовательной структуре; d. обеспечить уменьшение размера манипулятора в несколько раз; e. сократить вес манипулятора в несколько раз. [8] During the research, a new approach to the mechanics of a manipulator was identified and proposed, namely, the use of manipulators on parallel structures. Unlike traditional manipulators, structures with parallel kinematics contain closed kinematic chains and perceive the load as spatial trusses, that is, the links of these mechanisms work in tension and compression, which ensures the rigidity of the entire structure and has a positive effect on many characteristics, and, above all, on the positioning accuracy of the actuator. Using a manipulator on parallel structures in comparison with existing manipulators of a sequential structure allows: a. to provide up to ten times higher accuracy, which makes it possible to manipulate a surgical instrument with an accuracy that exceeds the dimensions of any human organs, and, in specially designed cases, to ensure accuracy in the micron range; b. to increase the rigidity of the structure by more than five times; c. to provide a large payload on the manipulator executive link in comparison with structures of similar power on a sequential structure; d. to reduce the size of the manipulator several times; e. reduce the weight of the manipulator several times.

[9] Конструкции манипуляторов с параллельной структурой раскрыты, в частности, в CN207630032 U, US20140088613 А1, US9554865 В2, US20120245596 А1. [9] Designs of manipulators with a parallel structure are disclosed, in particular, in CN207630032 U, US20140088613 A1, US9554865 B2, US20120245596 A1.

[10] Также известны решения, которые совмещают структурные принципы последовательной и параллельной кинематики (см., например, ЕР2740435 В1, DE102017111296 ВЗ, US10299883 В2, CN 108015750 А). Из недостатков такой схемы стоит отметить все типичные проблемы, присущие механизмам последовательной структуры, которые перечислялись выше. [10] Also known solutions that combine the structural principles of sequential and parallel kinematics (see, for example, EP2740435 B1, DE102017111296 BZ, US10299883 B2, CN 108015750 A). Among the shortcomings of such a scheme, it is worth noting all the typical problems inherent in the mechanisms of a sequential structure, which are listed above.

[11] Манипуляторы на основе параллельной кинематики, при всех своих преимуществах, в медицине используются редко, а те, которые используются, имеют ограничения в применении. Такая ситуация объясняется несколькими факторами: a. значительное ограничение перемещений выходного звена манипулятора, при этом попытка увеличения перемещений выходного звена приводит к значительному (до неприемлемого) увеличению размера манипулятора; [11] Manipulators based on parallel kinematics, with all their advantages, are rarely used in medicine, and those that are used have limitations in their use. This situation is due to several factors: a. significant limitation of the movements of the output link of the manipulator, while an attempt to increase the movements of the output link leads to a significant (to unacceptable) increase in the size of the manipulator;

B. ограничения или невозможность обеспечить требуемые движения (два поворота) в точке «0»; c. ограничения при корректном расположении манипулятора относительно точки «0», при этом корректность определятся положением/отдалением манипулятора относительно точки «0», определяемым требованиями хирургического вмешательства. B. restrictions or impossibility to provide the required movements (two turns) at the point "0"; c. restrictions at the correct position of the manipulator relative to the point "0", while the correctness is determined by the position / distance of the manipulator relative to the point "0", determined by the requirements of the surgical intervention.

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

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

[14] Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является раскрытый в документе RU172752 Ш портальный манипулятор параллельной структуры (фигура 1). Механизм включает основание, размещенные на нем линейные приводы с вертикальными осями, сопряженные с подвижной платформой, поперечную каретку, сопряженную с подвижной платформой посредством привода поступательного перемещения, продольную каретку, сопряженную с поперечной кареткой также посредством привода поступательного перемещения, выходное звено, сопряженное с приводом вращательного перемещения. Механизм содержит портал, включающий закрепленные на основании вертикальные стойки, связанные продольными и поперечными горизонтальными балками, два линейных двигателя с вертикальными осями, первый из которых сопряжен с подвижной платформой посредством рамы, выполненной с возможностью вертикального перемещения относительно стоек, вращательных кинематических пар, а второй линейный двигатель с вертикальной осью сопряжен с подвижной платформой также посредством рамы, выполненной с возможностью вертикального перемещения по стойкам, и дополнительного звена, связанного с рамой и подвижной платформой вращательными кинематическими парами, при этом выходное звено связано с подвижной платформой кинематической цепью, состоящей из выполненных в виде последовательно вложенных рам поперечной и продольной кареток, имеющих возможность поступательного перемещения относительно перпендикулярных осей, причем привод вращательного перемещения выходного звена размещен на продольной каретке. [14] The closest analogue to the claimed invention is disclosed in document RU172752 Sh portal manipulator of parallel structure (figure 1). The mechanism includes a base, linear drives with vertical axes placed on it, coupled to a movable platform, a transverse carriage coupled to a movable platform by a translational drive, a longitudinal carriage coupled with a transverse carriage also by means of a translational drive, an output link coupled with a rotary drive. The mechanism contains a portal, which includes vertical struts fixed on the base, connected by longitudinal and transverse horizontal beams, two linear motors with vertical axes, the first of which is coupled to a movable platform by means of a frame made with the possibility of vertical movement relative to the struts, rotational kinematic pairs, and the second linear an engine with a vertical axis is coupled to a movable platform also by means of a frame made with the possibility of vertical movement along the racks, and an additional link connected to the frame and the movable platform by rotational kinematic pairs, while the output link is connected to the movable platform by a kinematic chain consisting of a kinematic chain made in the form successively nested frames of transverse and longitudinal carriages, having the possibility of translational movement relative to perpendicular axes, and the drive for rotary movement of the output link is placed on the longitudinal carriage.

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

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

Суть изобретения The essence of the invention

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

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

[19] Поставленные задачи и технические результаты достигаются благодаря разработке двухкомпонентного пространственного механизма. Он представляет собой усовершенствованную конструкцию трипода в сочетании с портальным механизмом его линейных перемещений над рабочей областью. Такая гибридная кинематическая схема позволяет создать манипулятор, обладающий необходимой подвижностью и углом поворота выходного звена, на котором в итоге устанавливается хирургический инструмент. [20] Более подробно, технический результат изобретения достигается за счет того, что комбинированный манипулятор роботохирургического комплекса включает механизм 100, снабженный приводными элементами 200 и выполненный в виде соединенных между собой посредством трех штанг 130 неподвижной опорной платформы 110 и подвижной платформы 120, подвижная платформа 120 механизма 100 выполнена с возможностью размещения на ней хирургического инструмента 500; и портальный механизм 300, выполненный в виде модуля поперечного перемещения и модуля продольного перемещения, каждый из которых снабжен блоком приводов 400; при этом приводные элементы 200 и блоки приводов 400 выполнены с возможностью передачи и/или получения данных системы управления роботохирургическим комплексом. При этом механизм 100 установлен на модуле поперечного перемещения с возможностью перемещения по нему в поперечном направлении, а модуль поперечного перемещения установлен на модуле продольного перемещения с возможностью перемещения по нему в продольном направлении. Причем каждая штанга 130 механизма 100 одним своим концом[19] The set objectives and technical results are achieved through the development of a two-component spatial mechanism. It is an improved design of the tripod in combination with a gantry mechanism for its linear movements over the working area. This hybrid kinematic scheme makes it possible to create a manipulator with the necessary mobility and the angle of rotation of the output link, on which the surgical instrument is ultimately installed. [20] In more detail, the technical result of the invention is achieved due to the fact that the combined manipulator of the robotic surgical complex includes a mechanism 100 provided with drive elements 200 and made in the form of a fixed support platform 110 and a movable platform 120 connected to each other by means of three rods 130, a movable platform 120 the mechanism 100 is configured to receive a surgical instrument 500 thereon; and a portal mechanism 300 made in the form of a transverse movement module and a longitudinal movement module, each of which is provided with a drive unit 400; the drive elements 200 and the drive units 400 are configured to transmit and / or receive data from the control system of the robotic surgical complex. In this case, the mechanism 100 is installed on the transverse movement module with the ability to move along it in the transverse direction, and the transverse movement module is installed on the longitudinal movement module with the ability to move along it in the longitudinal direction. Moreover, each rod 130 of the mechanism 100 with one end

132 через подшипниковый узел 290 соединена с соответствующим приводным элементом 200, закрепленным на неподвижной опорной платформе 110, а другим концом 131 через шарнир Гука132 through the bearing assembly 290 is connected to the corresponding drive element 200, fixed on the fixed support platform 110, and the other end 131 through the Hooke's hinge

133 - с подвижной платформой 120. Причем каждый из указанных модулей портального механизма 300 выполнен в виде опорной рамы из четырех реек, расположенных попарно перпендикулярно друг другу, и рейки в парах расположены параллельно, при этом одна пара реек снабжена линейными направляющими. Причем на линейных направляющих реек первой пары 310 модуля поперечного перемещения размещены каретки 312 с закрепленной на них неподвижной опорной платформой 110 для поперечного перемещения механизма 100, и на линейных направляющих реек первой пары 330 модуля продольного перемещения размещены по две каретки 332 с закрепленной на каждой из них установочной площадкой 322, которая закреплена на установочной плоскости внутренней поверхности реек 320 из второй пары реек модуля поперечного перемещения, для продольного перемещения модуля поперечного перемещения с механизмом 100. 133 - with a movable platform 120. Moreover, each of these modules of the portal mechanism 300 is made in the form of a support frame of four rails arranged in pairs perpendicular to each other, and the rails in pairs are arranged in parallel, while one pair of rails is equipped with linear guides. Moreover, on the linear guide rails of the first pair 310 of the transverse movement module, there are carriages 312 with a fixed support platform 110 attached to them for transverse movement of the mechanism 100, and on the linear guide rails of the first pair 330 of the longitudinal movement module there are two carriages 332 with fixed on each of them a mounting platform 322, which is fixed on the mounting plane of the inner surface of the rails 320 of the second pair of rails of the lateral movement module, for longitudinal movement of the lateral movement module with the mechanism 100.

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

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

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

[24] В некоторых вариантах изобретения на неподвижной опорной платформе 110 механизма 100 выполнены диаметрально противоположно расположенные крепежные элементы 112 для монтажа кареток 312 модуля поперечного перемещения. [25] В некоторых вариантах изобретения неподвижная опорная платформа 110 механизма 100 снабжена площадками 111, ориентированными в сторону подвижной платформы 120 механизма 100 и расположенными относительно друг друга под углом в 120°. [24] In some embodiments, diametrically opposed fasteners 112 are provided on the fixed support platform 110 of the mechanism 100 for mounting the carriages 312 of the lateral movement module. [25] In some embodiments of the invention, the stationary support platform 110 of the mechanism 100 is provided with platforms 111 oriented towards the movable platform 120 of the mechanism 100 and located relative to each other at an angle of 120 °.

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

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

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

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

Краткое описание чертежей Brief Description of Drawings

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

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

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

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

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

[35] Фигура 5 иллюстрирует общий вид конструкции манипулятора. [35] Figure 5 illustrates a general view of the structure of the arm.

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

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

Термины и определения Terms and Definitions

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подробное описание изобретения Detailed description of the invention

[48] Описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенное ниже, приводится исключительно в качестве примера и предназначено для иллюстративных целей и не предназначено для ограничения объема раскрываемого изобретения. [49] Информацией для проектирования манипулятора являются исследования, посвященные оптимизации геометрических, кинематических и силовых параметров манипуляторов с механизмами параллельной структуры, и разработка методик их расчета и проектирования, а также задача обоснованного выбора конструктивных параметров манипулятора на этапе проектирования и режимов движений при выполнении различных технологических операций. Разрабатываемый механизм должен обладать высокой точностью и жесткостью выходного звена и при этом иметь рабочую область с достаточной площадью охвата. Возможным решением представляется создание механизма на основе параллельной кинематики, возможности которого расширены/дополнены другим механизмом для обеспечения достаточной рабочей области. [48] The description of exemplary embodiments of the present invention below is given by way of example only and is intended for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the disclosed invention. [49] Information for the design of a manipulator is research devoted to the optimization of the geometric, kinematic and power parameters of manipulators with mechanisms of a parallel structure, and the development of methods for their calculation and design, as well as the problem of a reasonable choice of design parameters of the manipulator at the design stage and modes of motion when performing various technological operations. The developed mechanism must have a high accuracy and rigidity of the output link and, at the same time, have a working area with a sufficient coverage area. A possible solution is to create a mechanism based on parallel kinematics, the capabilities of which are expanded / supplemented by another mechanism to provide a sufficient working area.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[60] На верхней части держателя гайки 250 шарико-винтовой передачи базируется подшипниковый узел 290. К кареткам 270 линейных приводов через вращательный механизм в виде подшипникового узла 290, размещенного на держателе 250 гайки шарико-винтовой передачи, крепятся своими концами 132 штанги 130 (не показано на чертеже). [60] The bearing unit 290 is based on the upper part of the ball screw nut holder 250. Rods 130 (not shown in the drawing).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[70] Блок приводов 400 портального механизма может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего сокращение потерь точности из-за люфтов при работе. [70] The gantry drive unit 400 may be any known mechanism to reduce the loss of accuracy due to backlash during operation.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM 1. Комбинированный манипулятор роботохирургического комплекса, включающий: механизм 100, снабженный приводными элементами 200 и выполненный в виде соединенных между собой посредством трех штанг 130 неподвижной опорной платформы 110 и подвижной платформы 120, подвижная платформа 120 механизма 100 выполнена с возможностью размещения на ней хирургического инструмента 500, и портальный механизм 300, выполненный в виде модуля поперечного перемещения и модуля продольного перемещения, каждый из которых снабжен блоком приводов 400, при этом приводные элементы 200 и блоки приводов 400 выполнены с возможностью передачи и/или получения данных системы управления роботохирургическим комплексом; при этом механизм 100 установлен на модуле поперечного перемещения с возможностью перемещения по нему в поперечном направлении, а модуль поперечного перемещения установлен на модуле продольного перемещения с возможностью перемещения по нему в продольном направлении, причем каждая штанга 130 механизма 100 одним своим концом 132 через подшипниковый узел 290 соединена с соответствующим приводным элементом 200, закрепленным на неподвижной опорной платформе 110, а другим концом 131 через шарнир Гука 133 - с подвижной платформой 120; причем каждый из указанных модулей портального механизма 300 выполнен в виде опорной рамы из четырех реек, расположенных попарно перпендикулярно друг другу, и рейки в парах расположены параллельно, при этом одна пара реек снабжена линейными направляющими, причем на линейных направляющих реек первой пары 310 модуля поперечного перемещения размещены каретки 312 с закрепленной на них неподвижной опорной платформой 110 для поперечного перемещения механизма 100, и на линейных направляющих реек первой пары 330 модуля продольного перемещения размещены по две каретки 332 с закрепленной на каждой из них установочной площадкой 322, которая закреплена на установочной плоскости внутренней поверхности реек 320 из второй пары реек модуля поперечного перемещения, для продольного перемещения модуля поперечного перемещения с механизмом 100. 1. Combined manipulator of a robotic surgical complex, including: a mechanism 100, equipped with drive elements 200 and made in the form of a fixed support platform 110 and a movable platform 120 connected to each other by means of three rods 130, the movable platform 120 of the mechanism 100 is configured to accommodate a surgical instrument 500 and a portal mechanism 300 made in the form of a transverse movement module and a longitudinal movement module, each of which is equipped with a drive unit 400, while the drive elements 200 and drive units 400 are configured to transmit and / or receive data from the control system of the robotic surgical complex; while the mechanism 100 is mounted on the transverse movement module with the ability to move along it in the transverse direction, and the transverse movement module is installed on the longitudinal movement module with the ability to move along it in the longitudinal direction, with each rod 130 of the mechanism 100 with one end 132 through the bearing assembly 290 connected to the corresponding drive element 200, fixed on the fixed support platform 110, and the other end 131 through the Hooke hinge 133 to the movable platform 120; moreover, each of the specified modules of the portal mechanism 300 is made in the form of a support frame of four rails arranged in pairs perpendicular to each other, and the rails in pairs are arranged in parallel, while one pair of rails is equipped with linear guides, and on the linear guide rails of the first pair 310 of the transverse movement module there are carriages 312 with a fixed support platform 110 fixed on them for transverse movement of the mechanism 100, and two carriages 332 are placed on the linear guide rails of the first pair 330 of the longitudinal movement module with a mounting platform 322 fixed on each of them, which is fixed on the mounting plane of the inner surface racks 320 of the second pair of rails of the transverse movement module, for longitudinal movement of the transverse movement module with the mechanism 100. 2. Манипулятор по п.1, характеризующийся тем, что блок приводов 400 каждого модуля портального механизма 300 выполнен на основе синхронного сервопривода 410 совместно с прецизионным планетарным редуктором 411. 2. Manipulator according to claim 1, characterized in that the drive unit 400 of each module of the portal mechanism 300 is made on the basis of a synchronous servo drive 410 together with a precision planetary gearbox 411. 3. Манипулятор по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно включает приводной элемент 600, размещенный на подвижной платформе 120, для перемещения хирургического инструмента вдоль одной линейной оси. 3. The manipulator of claim 1, further comprising a drive element 600 disposed on the movable platform 120 to move the surgical instrument along a single linear axis. 4. Манипулятор по любому из пунктов 1-3, характеризующийся тем, что в качестве приводного элемента 200 механизма 100 или приводного элемента 600 для перемещения хирургического инструмента использован сервопривод совместно с безлюфтовым прецизионным редуктором волнового типа или с планетарным редуктором с угловым люфтом менее 6’. 4. A manipulator according to any one of claims 1-3, characterized in that a servo drive is used as a drive element 200 of the mechanism 100 or a drive element 600 for moving the surgical instrument together with a backlash-free precision wave-type gearbox or with a planetary gearbox with an angular backlash of less than 6 '. 5. Манипулятор по и. 1, характеризующийся тем, что на неподвижной опорной платформе 110 механизма 100 выполнены диаметрально противоположные крепежные элементы 112 для монтажа кареток 312 модуля поперечного перемещения. 5. Manipulator for and. 1, characterized in that on the fixed support platform 110 of the mechanism 100, diametrically opposed fastening elements 112 are made for mounting the carriages 312 of the transverse movement module. 6. Манипулятор по п.1, характеризующийся тем, что неподвижная опорная платформа 110 механизма 100 снабжена площадками 111, ориентированными в сторону подвижной платформы 120 механизма 100 и расположенными относительно друг друга под углом в 120°. 6. The manipulator according to claim 1, characterized in that the fixed support platform 110 of the mechanism 100 is provided with platforms 111 oriented towards the movable platform 120 of the mechanism 100 and located relative to each other at an angle of 120 °. 7. Манипулятор по п. 6, характеризующийся, что приводной элемент 200 размещен на площадке 111 и выполнен в виде сервопривода 210 с шар ико -винтовой передачей. 7. The manipulator according to claim 6, characterized in that the drive element 200 is located on the platform 111 and is made in the form of a servo drive 210 with a ball and a screw drive.
PCT/RU2020/050373 2019-12-12 2020-12-11 Combined manipulator for robotic surgical system Ceased WO2021145792A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141222A RU2721485C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Combined manipulator of robotosurgical complex
RU2019141222 2019-12-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021145792A1 true WO2021145792A1 (en) 2021-07-22

Family

ID=70735134

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2020/050373 Ceased WO2021145792A1 (en) 2019-12-12 2020-12-11 Combined manipulator for robotic surgical system

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2721485C1 (en)
WO (1) WO2021145792A1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113749775A (en) * 2021-10-08 2021-12-07 上海交通大学医学院附属瑞金医院 Mechanical arm for surgical operation
CN114772266A (en) * 2022-05-20 2022-07-22 贵阳立特精密机械有限公司 Clamping and overturning device
WO2023020237A1 (en) * 2021-08-20 2023-02-23 苏州大学 Multiple-degree-of-freedom series-parallel pelvic fracture reduction robot and pelvic fracture reduction system
CN117249221A (en) * 2023-09-12 2023-12-19 敏捷医疗科技(苏州)有限公司 Power box output components, power boxes, sliding table components and surgical robots
CN118078444A (en) * 2024-02-26 2024-05-28 南京医科大学 A flexible rod driven miniature six-degree-of-freedom minimally invasive operation device and its use method
CN118418154A (en) * 2024-05-13 2024-08-02 华南理工大学 A hybrid five-degree-of-freedom micro-assembly robot
CN120436799A (en) * 2025-04-22 2025-08-08 山东臻观医疗科技有限公司 Surgical assistance robot and control method based on continuum configuration

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112545656B (en) * 2020-12-21 2025-01-28 上海睿触科技有限公司 A compact end-drive structure for an endoscopic surgical robot
CN114833871B (en) * 2022-03-12 2024-09-27 吉林大学 Industrial robot reliability test device and test method
CN115954043B (en) * 2022-12-15 2024-07-12 山东大学 Asymmetric differential micro-nano linear motion platform and working method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4466770A (en) * 1981-08-20 1984-08-21 General Electric Company Robotic machine
US20100010504A1 (en) * 2006-09-19 2010-01-14 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Systems, devices, and methods for surgery on a hollow anatomically suspended organ
US20140088613A1 (en) * 2012-09-21 2014-03-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Medical robot apparatus
US20150073597A1 (en) * 2011-11-04 2015-03-12 The Johns Hopkins University Steady hand micromanipulation robot

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1472251A1 (en) * 1987-08-18 1989-04-15 Предприятие П/Я В-8996 Gantry-type robot
US5987726A (en) * 1996-03-11 1999-11-23 Fanuc Robotics North America, Inc. Programmable positioner for the stress-free assembly of components
US7665200B1 (en) * 2009-02-27 2010-02-23 Mike Seiji Shimooka Multiple purpose CNC machine
CN104354719B (en) * 2014-10-31 2016-02-24 西安交通大学 A kind of two-stage planetary reduction gear formula switch machine of external AC servo synchronous machine drives
RU172752U1 (en) * 2016-09-07 2017-07-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) PORTAL MANIPULATOR OF PARALLEL STRUCTURE

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4466770A (en) * 1981-08-20 1984-08-21 General Electric Company Robotic machine
US20100010504A1 (en) * 2006-09-19 2010-01-14 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Systems, devices, and methods for surgery on a hollow anatomically suspended organ
US20150073597A1 (en) * 2011-11-04 2015-03-12 The Johns Hopkins University Steady hand micromanipulation robot
US20140088613A1 (en) * 2012-09-21 2014-03-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Medical robot apparatus

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023020237A1 (en) * 2021-08-20 2023-02-23 苏州大学 Multiple-degree-of-freedom series-parallel pelvic fracture reduction robot and pelvic fracture reduction system
CN113749775A (en) * 2021-10-08 2021-12-07 上海交通大学医学院附属瑞金医院 Mechanical arm for surgical operation
CN114772266A (en) * 2022-05-20 2022-07-22 贵阳立特精密机械有限公司 Clamping and overturning device
CN117249221A (en) * 2023-09-12 2023-12-19 敏捷医疗科技(苏州)有限公司 Power box output components, power boxes, sliding table components and surgical robots
CN118078444A (en) * 2024-02-26 2024-05-28 南京医科大学 A flexible rod driven miniature six-degree-of-freedom minimally invasive operation device and its use method
CN118418154A (en) * 2024-05-13 2024-08-02 华南理工大学 A hybrid five-degree-of-freedom micro-assembly robot
CN120436799A (en) * 2025-04-22 2025-08-08 山东臻观医疗科技有限公司 Surgical assistance robot and control method based on continuum configuration

Also Published As

Publication number Publication date
RU2721485C1 (en) 2020-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021145792A1 (en) Combined manipulator for robotic surgical system
EP2209595B1 (en) Device for movement between an input member and an output member
US9027431B2 (en) Remote centre of motion positioner
US7950306B2 (en) Manipulator
EP1133265B1 (en) Surgical manipulator
AU2003214837B2 (en) Remote center of motion robotic system and method
CN106344160B (en) A surgical robot with arc-shaped moving joint
US20170245949A1 (en) Articulation for surgical roboter
CN111195155B (en) An eight-degree-of-freedom minimally invasive surgical robot
KR20120068768A (en) Robotic system for laparoscopic surgery
Zhang et al. Modeling, design and experiment of a remote-center-of-motion parallel manipulator for needle insertion
CN110680505A (en) An eight-degree-of-freedom surgical robotic arm with closed-loop linkage
WO2015117218A1 (en) Modular base link for a counterbalancing arm
WO2019196421A1 (en) Multi-degree-of-freedom parallel mechanism
CN109259865B (en) Intelligent minimally invasive spine surgery robot
CN211409355U (en) Eight-degree-of-freedom surgical manipulator with closed-loop connecting rod
EP3117966A1 (en) Hybrid robot
CN114683314B (en) Mechanical arm joint, mechanical arm and surgical robot
CN117323015B (en) Miniaturized multi-degree-of-freedom robot
CN114521967A (en) Mechanical arm and medical trolley
RU2718595C1 (en) Operator control unit for robotic surgical complex
EP4442407A1 (en) Spatial parallelogram linkage structure and miniaturized mechanical arm having same, and application of miniaturized mechanical arm
CN119055369B (en) Cable parallel fracture reduction robot
CN113967074B (en) Surgical robot external positioning arm assembly and surgical robot system including the arm assembly
KR101670735B1 (en) Robot for controlling position of moving platform and System for stimulating living body having the same

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20914680

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 20.10.2022)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20914680

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1